De innerlijke werking van thermische geleidbaarheid in clusters van sterrenstelsels onthuld

Clusters van sterrenstelsels zijn gevuld met heet, diffuus röntgen-emitterend plasma, met een willekeurig verstrengeld magnetisch veld. Dit plasma is in een turbulente toestand. De meeste van de waargenomen clusters van sterrenstelsels lijken veel heter dan verwacht. Dit is een moeilijke puzzel waarmee astronomen worden geconfronteerd.

Met behulp van ‘s werelds meest uitgebreide lasersysteem – de National Ignition Facility (NIF), heeft een samenwerking van internationale wetenschappers de innerlijke werking van thermische geleidbaarheid in clusters van sterrenstelsels onthuld. leidde het team Oxford universiteitRochester en Universiteit van Chicago.

Wetenschappers gebruikten een lasersysteem om een ​​exacte replica te maken van de plasmacondities die naar verwachting zullen optreden in melkwegclusters. Ze gebruikten lasers om de plastic chips te verdampen. Dit leidde tot het genereren van turbulent en gemagnetiseerd plasma in experimenten bij NIF.

Co-auteur Professor Alexander Shikuchin, Afdeling Natuurkunde, Universiteit van Oxford zegt dit: “Hoe energie wordt geïnjecteerd in het plasma dat clusters van melkwegstelsels vult door gewelddadig actieve sterrenstelsels in hun centra, en hoe het het hele massieve systeem diffundeert en opwarmt, waardoor de röntgengloed wordt geproduceerd die wordt vastgelegd door observatoria zoals het Chandra X-ray Observatory – deze zijn fundamentele vragen over onze grootste bouwstenen. wezen. Zowel de waarnemingen als de logica van onze theoretische modellen geven aan dat de thermische geleidbaarheid in dit plasma ernstig wordt onderdrukt in vergelijking met naïeve verwachtingen. Veel schema’s voor een dergelijke onderdrukking zijn numeriek getheoretiseerd en gesimuleerd, maar zeer voorlopig. ”

“Hier hebben we ineens echte laboratoriumplasma’s – dus het experiment heeft nu een kans om de theorie over te slaan bij het helpen uitzoeken van de basiseigenschappen van astrofysische plasma’s, wat een opwindend vooruitzicht is.”

De experimenten bij NIF zullen waarschijnlijk de krachtige dynamiek van het universum naar het laboratorium brengen. Het unieke van deze NIF-experimenten is dat de elektronenbotsing in het plasma verstrengelde magnetische veldlijnen volgt. Men denkt dat dit fenomeen zich voordoet in clusters van sterrenstelsels, wat leidt tot de remming van warmtegeleiding.”

Wetenschappers merkten dit effect op in laboratoriumgegevens. Metingen laten zien dat er in de loop van de tijd nog steeds holtes heet plasma aanwezig zijn en dat er geen warmte kan ontsnappen.

De hoofdonderzoeker van de experimenten, professor Gianluca Gregory, afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Oxford, zegt dat “Dit werk is een belangrijk startpunt voor het begrijpen van de microscopische processen die plaatsvinden in zowel gemagnetiseerde als turbulente plasma’s. De experimentele resultaten zijn enigszins verrassend omdat ze laten zien dat energie op heel andere manieren wordt overgedragen dan we zouden verwachten van eenvoudige theorieën.”

Professor Petros Tseverakos, directeur van het Flash Center for Computational Sciences, zei: “Dit is inderdaad een verbazingwekkend resultaat. Om de NIF-experimenten te modelleren, hebben we het volledige scala aan fysieke mogelijkheden van FLASH, de multi-physics-simulatiecode die we hebben ontwikkeld, ingebracht. De FLASH-simulaties waren fundamenteel voor het ontwarren van de fysica in turbulente gemagnetiseerde plasma’s, maar het niveau van onderdrukking van de warmteoverdracht was hoger dan we hadden verwacht.”

Dr. James Stephen Ross, projectcommunicatiewetenschapper bij LLNL, Hij zeiEn de “Deze experimenten bieden inzicht in complexe natuurkundige processen en roepen ook aanvullende vragen op die we hopen te beantwoorden in aanstaande NIF Discovery Science-experimenten met verbeterd doelontwerp en diagnostische configuratie.”

Referentie tijdschrift:

1. J. Meinecke et al., Sterke onderdrukking van warmtegeleiding in een in vitro versie van turbulent melkwegclusterplasma, Science Advances (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abj6799