Ultra kısa göreli elektron ışını tarafından incelenen karbondioksit lazerle üretilmiş bir plazmadaki Weibel kararsızlığından kaynaklanan mikroskobik akımların kendi kendine organizasyonu sonucunda ortaya çıkan manyetik alan konturları. Kredi:
Chaojie Zhang, University of California Los Angeles
Çığır açan bir deney, galaktik dinamo için manyetik alanlar oluşturabilecek potansiyel mekanizmaya ilişkin yeni bilgiler sunuyor.
The Bilim
Plazma, yoğun ısının elektronların atomlardan ayrılmasına neden olduğu, bunun sonucunda serbest yüzen elektronlar ve iyonize atomların bir karışımına neden olduğu bir madde halidir. Plazma olarak bilinen bu iyonize gaz, gözlemlenebilir evrenin büyük bölümünü oluşturur. Son bulgular, manyetik alanların plazma içinde kendiliğinden ortaya çıkabileceğini göstermektedir. Bu, sıcaklık anizotropisi olarak adlandırılan bir fenomen olan, farklı uzamsal yönler boyunca sıcaklıkta bir değişiklik olduğunda meydana gelir. Bu mekanizma, Weibel kararsızlığı olarak adlandırılır.
Altmış yılı aşkın bir süre önce plazma teorisyeni Eric Weibel tarafından tahmin edilmişti, ancak laboratuvarda yalnızca şimdi açık bir şekilde gözlemlendi. Yeni araştırma, bu sürecin sıcaklık anizotropisinde depolanan enerjinin önemli bir kısmını manyetik alan enerjisine dönüştürebileceğini buluyor. Ayrıca, Weibel kararsızlığının tüm kozmosa nüfuz eden manyetik alanların kaynağı olabileceğini de bulur.
Etki
Gözlemlenebilir evrenimizdeki madde, plazma halindedir ve manyetize edilmiştir. Mikro-gauss seviyesindeki manyetik alanlar (Dünya’nın manyetik alanlarının yaklaşık milyonda biri) galaksilere nüfuz eder. Bu manyetik alanların, galaksilerin galaktik dinamo olarak bilinen sarmal hareketiyle zayıf tohum alanlarından güçlendiği düşünülmektedir.
Tohum manyetik alanlarının nasıl yaratıldığı, astrofizikte uzun süredir devam eden bir sorudur. Bu yeni çalışma, mikrogauss seviyesindeki çekirdek manyetik alanların kaynağına ilişkin bu rahatsız edici soruna olası bir çözüm sunuyor. Araştırma, astro ve yüksek enerji yoğunluğu fiziğiyle ilgili laboratuvar plazmalarındaki manyetik alanların ultra hızlı dinamiklerini incelemek için büyük potansiyele sahip yeni bir platform kullandı.
Özet
İlk Altmış yıl önce teorize edilen, sıcaklık anizotropisinden kaynaklanan Weibel kararsızlığının, birçok laboratuvar ve astrofiziksel plazmanın kendi kendine mıknatıslanması için önemli bir mekanizma olduğu düşünülüyor. Bununla birlikte, bilim adamları, Weibel istikrarsızlığını açık bir şekilde göstermede iki zorlukla karşılaştılar. İlk olarak, yakın zamana kadar araştırmacılar, başlangıçta Weibel tarafından tasavvur edildiği gibi, bilinen bir sıcaklık anizotropisine sahip bir plazma üretemediler. İkincisi, araştırmacıların, sonradan plazmada üretilen manyetik alanların karmaşık ve hızla gelişen topolojisini ölçmek için uygun bir tekniği yoktu.
Bu çalışma, bir Enerji Bakanlığı olan Hızlandırıcı Test Tesisi’nin ( Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki DOE) kullanıcı tesisi, araştırmacıların ultra kısa ama yoğun bir karbon dioksit lazer darbesi kullanarak saniyenin on trilyonda biri zaman ölçeğinde bilinen yüksek derecede anizotropik elektron hızı dağılımlarına sahip bir hidrojen plazması oluşturmasına izin veren yeni bir deneysel platform kullandı. .
Plazmanın müteakip termalizasyonu, Weibel dengesizliği tarafından yönlendirilen manyetik alanlar üreten plazma akımlarının kendi kendini düzenlemesi yoluyla gerçekleşir. Bu alanlar, plazmadan belirli bir mesafedeki manyetik alanların bir görüntüsünü ortaya çıkarmak için göreli elektronları saptıracak kadar büyüktür. Araştırmacılar, bu alanları araştırmak için bir pikosaniyelik göreli elektron ışını kullanarak, mükemmel uzay-zamansal çözünürlüğe sahip bu manyetik alanların evrimini anlatan bir film elde ettiler.
Referans: “Termal Weibel dengesizliği nedeniyle kendiliğinden oluşan manyetik alanların haritalanması Chaojie Zhang, Yipeng Wu, Mitchell Sinclair, Audrey Farrell, Kenneth A. Marsh, Irina Petrushina, Navid Vafaei-Najafabadi, Apurva Gaikwad, Rotem Kupfer, Karl Kusche, Mikhail Fedurin, Igor Pogorelsky, Mikhail Polyanskiy, Chen-Kang Huang, Jianfei Hua, Wei Lu, Warren B. Mori ve Chan Joshi, 5 Aralık 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2211713119
Çalışma Enerji Bakanlığı (DOE) Bilim Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı ve NSF Lisansüstü Araştırma Bursları Programı tarafından finanse edildi. Hızlandırıcı Test Tesisi, DOE Office of Science tarafından desteklenmektedir. Baş araştırmacının UCLA’daki çalışması, Ulusal Bilim Vakfı (NSF), DOE Office of Science Yüksek Enerji Fiziği programı ve NSF Lisansüstü Araştırma Bursları Programı tarafından desteklenmektedir.