Experimente schauen turbulentem Dynamo beim Verstärken von Magnetfeldern zu

Eine internationale Kollaboration unter Leitung der University of Oxford und der University of Rochester hat, zusammen mit der Gruppe Theorie Astrophysikalischer Plasmen am MPIK, Experimente durchgeführt, die erstmalig im Labor den zeitlichen Verlauf der Verstärkung von Magnetfeldern durch den turbulenten Dynamo erfassen, den physikalischen Mechanismus, der vermutlich für die Erzeugung und Aufrechterhaltung astrophysikalischer Magnetfelder verantwortlich ist. Die Experimente fanden unter Bedingungen statt, die den meisten Plasmen im Universum entsprechen, und quantifizierten die Geschwindigkeit, mit der der turbulente Dynamo Magnetfelder verstärkt − was man bisher nur aus theoretischen Vorhersagen und numerischen Simulationen ableiten konnte. Die gefundene schnelle Verstärkung übertrifft die theoretischen Erwartungen und könnte helfen, den Ursprung der heutigen großräumigen Felder zu erklären, die in Galaxienhaufen beobachtet werden.

In dem kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Artikel beschreibt das Team von Turbulent Dynamo (TDYNO) die Laser-Experimente, die sie an der Omega Laser Facility des Laboratory for Laser Energetics (LLE) an der University of Rochester durchgeführt haben, wo sie zuvor schon die Existenz des turbulenten Dynamomechanismus in einem Plasma experimentell nachgewiesen hatten. In ihren neueren TDYNO-Experimenten bei Omega konnten sie Bedingungen erreichen, die dem heißen, diffusen Plasma des typischen Intracluster-Mediums entsprechen, in dem der turbulente Dynamomechanismus vermutlich wirkt. Durch den Einsatz von Laserstrahlen, deren Gesamtleistung der von zehntausend Kernreaktoren entspricht, realisierten sie Plasmabedingungen, die bei früheren Flüssigmetall- und lasergetriebenen Experimenten nicht erreichbar waren. Mit Hilfe einer umfangreichen Plasmadiagnostik konnten die Wissenschaftler die durch diesen Mechanismus erzeugte Magnetfeldverstärkung eindeutig als Funktion der Zeit messen.

Der Kern des astrophysikalischen Dynamomechanismus ist die Turbulenz. Primordiale Magnetfelder werden mit Stärken erzeugt, die deutlich kleiner sind als die, die man heute in Galaxien und Galaxienhaufen sieht. Stochastische Plasmabewegungen können jedoch diese schwachen „Saat“-Felder aufgreifen und ihre Stärken durch Dehnen, Verdrehen und Falten des Feldes auf deutlich größere Werte verstärken. Die Geschwindigkeit dieser Verstärkung unterscheidet sich je nach der räumlichen Skala der turbulenten Plasmabewegungen: Theorie und Simulationen sagen voraus, dass die Wachstumsrate bei den kleinsten Längenskalen groß ist, aber erheblich kleiner bei Längenskalen, die mit denen der größten turbulenten Bewegungen vergleichbar sind. Die TDYNO-Experimente haben gezeigt, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist: Der turbulente Dynamo kann − wenn er in einem realistischen Plasma arbeitet − großräumige Magnetfelder viel schneller erzeugen, als derzeitige theoretische Modelle vorhersagen.

Diese Experimente sind Teil einer konzertierten Aktion des TDYNO-Teams zur Beantwortung von in der Literatur zum turbulenten Dynamo diskutierten Schlüsselfragen, und zur Etablierung von Laborexperimenten als Beitrag zur Untersuchung von turbulenten magnetisierten Plasmen. Die Zusammenarbeit hat eine innovative experimentelle Plattform aufgebaut, die in Verbindung mit der Leistung des OMEGA-Lasers oder anderer Hochleistungslaseranlagen und unterstützt durch modernste numerische Simulationen, es dem Team ermöglicht, die Plasmaregimes und damit verbundene nichtlineare Prozesse zu untersuchen, die für verschiedene astrophysikalische Systeme relevant sind.


Originalpublikation:

Time-resolved turbulent dynamo in a laser plasma
Archie F. A. Bott, Petros Tzeferacos, Laura Chen, Charlotte A. J. Palmer, Alexandra Rigby, Anthony R. Bell, Robert Bingham, Andrew Birkel, Carlo Graziani, Dustin H. Froula, Joseph Katz, Michel Koenig, Matthew W. Kunz, Chikang Li, Jena Meinecke, Francesco Miniati, Richard Petrasso, Hye-Sook Park, Bruce A. Remington, Brian Reville, J. Steven Ross, Dongsu Ryu, Dmitri Ryutov, Fredrick H. Séguin, Thomas G. White, Alexander A. Schekochihin, Donald Q. Lamb, Gianluca Gregori
Proceedings of the National Academy of Sciences Mar 2021, 118 (11) e2015729118; DOI: 10.1073/pnas.2015729118


Omega Laser Facility


Kontakt

Dr. Brian Reville
Tel.: +49 6221 516-589
E-Mail: brian.revillempi-hd.mpgde


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Foto des Versuchsaufbaus. Gegenüberliegende Kunststofffolien werden mit jeweils 10 Laserstrahlen (pink) mit einer kombinierten Laserenergie von 5 kJ pro Folie bestrahlt. Das Folienmaterial im Brennpunkt wird vollständig ionisiert, und konvergierende Plasmaströme werden mit hoher Geschwindigkeit in Richtung des Mittelpunkts getrieben. Die Ströme passieren zunächst asymmetrische Polyimid-Gitter (siehe Einsatzbild), die eine starke Ungleichförmigkeit und Verwirbelung in den gegenläufigen Strömen induzieren. Ein Beispiel für die resultierende Röntgen-Selbstemission ist im zentralen Wechselwirkungsbereich dargestellt. Ebenfalls dargestellt sind die Position der externen Deuterium-Implosionskapsel, die für die Abbildung durch Protonen-Deflektometrie verwendet wird, und der Weg der Thomson-Streuungssonde (TS) zur Diagnose der wechselwirkenden Plasmabedingungen.