196 lasers helpen wetenschappers de aandoening te recreëren

Sterrenstelsels leven zelden alleen. In plaats daarvan worden tien tot duizenden bij elkaar gehouden door de zwaartekracht, waardoor enorme klompen van de grootste objecten in het universum worden gevormd.

“Clusters van sterrenstelsels zijn enkele van de meest ontzagwekkende dingen in het universum”, zegt professor emeritus Don Lamb, een astrofysicus aan de Universiteit van Chicago en co-auteur van een nieuw artikel dat op 9 maart is gepubliceerd. decennia van onduidelijkheid.

Wetenschappers weten al lang dat waterstofgas in clusters van sterrenstelsels te heet is – ongeveer 10 miljoen graden Kelvin, of ongeveer dezelfde temperatuur als het centrum van de zon – en te heet om waterstofatomen te laten bestaan. In plaats daarvan is het gas een plasma dat bestaat uit protonen en elektronen.

Maar het mysterie blijft: er is geen directe verklaring voor waarom of hoe het gas zo heet blijft. Volgens de natuurlijke regels van de fysica moet het tijdens de levensduur van het heelal zijn afgekoeld. Maar dat deed ze niet.

De uitdaging voor iedereen die deze puzzel probeert op te lossen, is dat je dit soort hete en sterke magnetische omstandigheden niet echt in je eigen achtertuin kunt creëren.

Er is nu echter maar één plek op aarde waar dat kan: ‘s werelds meest actieve laserfaciliteit. De National Ignition Facility van het Lawrence Livermore National Laboratory is in staat om zulke extreme omstandigheden te creëren, zij het slechts voor een fractie van een seconde ter grootte van een dubbeltje.

Wetenschappers van UChicago, de Universiteit van Oxford en de Universiteit van Rochester werkten samen om de National Ignition Facility – gelegen in Livermore, Californië – te gebruiken om omstandigheden te creëren die vergelijkbaar zijn met heet gas in gigantische clusters van sterrenstelsels. “De experimenten die bij NIF worden uitgevoerd, zijn letterlijk niet van deze wereld”, zegt Jena Meinecke, de eerste auteur van het artikel.

De wetenschappers richtten 196 lasers op een enkel klein doelwit en creëerden heet wit plasma met intense magnetische velden die een paar miljardste van een seconde aanwezig waren.

Dit was lang genoeg om vast te stellen dat er in plaats van een uniforme temperatuur warme en koude plekken in het plasma waren.

Dit komt overeen met een van de theorieën die zijn voorgesteld over hoe warmte wordt vastgehouden in clusters van sterrenstelsels. Normaal gesproken kan warmte gemakkelijk worden verdeeld als de elektronen met elkaar botsen. Maar de verstrengelde magnetische velden in het plasma kunnen deze elektronen beïnvloeden, waardoor ze in de richting van de magnetische velden roteren – waardoor ze hun energie niet gelijkmatig kunnen verdelen en verdelen.

In feite zagen ze in het experiment dat de vermogensafgifte meer dan 100 keer werd onderdrukt.

“Dit is een zeer opwindend resultaat omdat we hebben kunnen aantonen dat wat de astrofysici hebben voorgesteld op de goede weg is”, zegt Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor of Astronomy and Astrophysics.

“Dit is inderdaad een verbluffend resultaat”, voegde een co-auteur van het onderzoek toe aan de Universiteit van Rochester. Professor Petros Tseverakos, die toezicht hield op computersimulaties van het complexe experiment. “De simulaties waren de sleutel tot het ontwarren van de fysica van turbulent gemagnetiseerd plasma, maar het niveau van remming van de warmteoverdracht was hoger dan we hadden verwacht.”

De simulaties zijn uitgevoerd met behulp van een computercode genaamd FLASH Codes, die is ontwikkeld aan de Universiteit van Chicago en nu wordt gehost aan de Universiteit van Rochester. Flash Center for Computational Sciencesgeleid door Tzeferacos. Met de code kunnen wetenschappers hun experimenten met lasers tot in detail simuleren voordat ze worden uitgevoerd, zodat ze de gewenste resultaten kunnen bereiken.

Dit is van cruciaal belang omdat wetenschappers slechts een paar kostbare snapshots krijgen in de faciliteit – als er iets misgaat, is er geen herhaling. Omdat de omstandigheden van het experiment maar een nanoseconde duren, moeten wetenschappers ervoor zorgen dat ze de metingen die ze nodig hebben precies op het juiste moment uitvoeren. Dit betekent dat alles in een vroeg stadium zorgvuldig moet worden gepland.

“Het is een uitdaging als je helemaal aan het einde bent van wat je kunt doen, maar daar liggen de limieten”, zei Lamb.

Er zijn echter nog meer vragen over de fysica van clusters van sterrenstelsels. Hoewel hete en koude plekken sterk bewijs zijn van de invloed van magnetische velden op het afkoelen van heet gas in clusters van sterrenstelsels, zijn er meer experimenten nodig om te begrijpen wat er precies aan de hand is. De groep plant later dit jaar hun volgende testronde bij NIF.

Voor nu zijn ze echter blij om licht te werpen op waarom gas in clusters van sterrenstelsels zelfs na miljarden jaren heet blijft.

Sterrenstelsels leven zelden alleen. In plaats daarvan worden tien tot duizenden bij elkaar gehouden door de zwaartekracht, waardoor enorme klompen van de grootste objecten in het universum worden gevormd.

“Clusters van sterrenstelsels zijn enkele van de meest ontzagwekkende dingen in het universum”, zegt professor emeritus Don Lamb, een astrofysicus aan de Universiteit van Chicago en co-auteur van een nieuw artikel dat op 9 maart is gepubliceerd. decennia van onduidelijkheid.

Wetenschappers weten al lang dat waterstofgas in clusters van sterrenstelsels te heet is – ongeveer 10 miljoen graden Kelvin, of ongeveer dezelfde temperatuur als het centrum van de zon – en te heet om waterstofatomen te laten bestaan. In plaats daarvan is het gas een plasma dat bestaat uit protonen en elektronen.

Maar het mysterie blijft: er is geen directe verklaring voor waarom of hoe het gas zo heet blijft. Volgens de natuurlijke regels van de natuurkunde moet het tijdens de levensduur van het heelal zijn afgekoeld. Maar dat deed ze niet.

De uitdaging voor iedereen die deze puzzel probeert op te lossen, is dat je dit soort hete en sterke magnetische omstandigheden niet echt in je eigen achtertuin kunt creëren.

Er is nu echter maar één plek op aarde waar dat kan: ‘s werelds meest actieve laserfaciliteit. De National Ignition Facility van het Lawrence Livermore National Laboratory is in staat om zulke extreme omstandigheden te creëren, zij het slechts voor een fractie van een seconde ter grootte van een dubbeltje.

Wetenschappers van UChicago, de Universiteit van Oxford en de Universiteit van Rochester werkten samen om de National Ignition Facility – gelegen in Livermore, Californië – te gebruiken om omstandigheden te creëren die vergelijkbaar zijn met heet gas in gigantische clusters van sterrenstelsels. “De experimenten die bij NIF worden uitgevoerd, zijn letterlijk niet van deze wereld”, zegt Jena Meinecke, de eerste auteur van het artikel.

De wetenschappers richtten 196 lasers op een enkel klein doelwit en creëerden heet wit plasma met intense magnetische velden die een paar miljardste van een seconde aanwezig waren.

Dit was lang genoeg om vast te stellen dat er in plaats van een uniforme temperatuur warme en koude plekken in het plasma waren.

Dit komt overeen met een van de theorieën die zijn voorgesteld over hoe warmte wordt vastgehouden in clusters van sterrenstelsels. Normaal gesproken kan warmte gemakkelijk worden verdeeld als de elektronen met elkaar botsen. Maar de verstrengelde magnetische velden in het plasma kunnen deze elektronen beïnvloeden, waardoor ze in de richting van de magnetische velden roteren – waardoor ze hun energie niet gelijkmatig kunnen verdelen en verdelen.

In feite zagen ze in het experiment dat de vermogensafgifte meer dan 100 keer werd onderdrukt.

“Dit is een zeer opwindend resultaat omdat we hebben kunnen aantonen dat wat de astrofysici hebben voorgesteld op de goede weg is”, zegt Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor of Astronomy and Astrophysics.

“Dit is inderdaad een verbluffend resultaat”, voegde een co-auteur van het onderzoek toe aan de Universiteit van Rochester. Professor Petros Tseverakos, die toezicht hield op computersimulaties van het complexe experiment. “De simulaties waren de sleutel tot het ontwarren van de fysica van turbulent gemagnetiseerd plasma, maar het niveau van remming van de warmteoverdracht was hoger dan we hadden verwacht.”

De simulaties zijn uitgevoerd met behulp van een computercode genaamd FLASH Codes, die is ontwikkeld aan de Universiteit van Chicago en nu wordt gehost aan de Universiteit van Rochester. Flash Center for Computational Sciencesgeleid door Tzeferacos. Met de code kunnen wetenschappers hun experimenten met lasers tot in detail simuleren voordat ze worden uitgevoerd, zodat ze de gewenste resultaten kunnen bereiken.

Dit is van cruciaal belang omdat wetenschappers slechts een paar kostbare snapshots krijgen in de faciliteit – als er iets misgaat, is er geen herhaling. Omdat de omstandigheden van het experiment maar een nanoseconde duren, moeten wetenschappers ervoor zorgen dat ze de metingen die ze nodig hebben precies op het juiste moment uitvoeren. Dit betekent dat alles in een vroeg stadium zorgvuldig moet worden gepland.

“Het is een uitdaging als je helemaal aan het einde bent van wat je kunt doen, maar daar liggen de limieten”, zei Lamb.

Er zijn echter nog meer vragen over de fysica van clusters van sterrenstelsels. Hoewel hete en koude plekken sterk bewijs zijn van de invloed van magnetische velden op het afkoelen van heet gas in clusters van sterrenstelsels, zijn er meer experimenten nodig om te begrijpen wat er precies aan de hand is. De groep plant later dit jaar hun volgende testronde bij NIF.

Voor nu zijn ze echter blij om licht te werpen op waarom gas in clusters van sterrenstelsels zelfs na miljarden jaren heet blijft.

“Het herinnert ons eraan dat het universum vol verbazingwekkende dingen is”, zei Lamb.

Hij was de hoofdonderzoeker van het experiment Professor Gianluca Gregory Van Oxford universiteit. Teamleden waren ook Oxford Professor Alexander ShikuchinPrinceton Archie boten Lawrence Livermore National Laboratory James Stephen Ross.