Powstanie pierwotnego, kosmicznego pola magnetycznego intryguje astrofizyków już od dawna. W 1959 roku pojawił się opis niestabilności Weibela, która w jednorodnej plazmie powoduje powstanie pola elektromagnetycznego.
Od tego czasu zainteresowanie teoretyków problemem generowania początkowego pola magnetycznego gwałtownie wzrosło. Problem początkowego pola we Wszechświecie stanowi fundamentalne pytanie o jego pochodzenie. Większość mechanizmów występujących we Wszechświecie, np. dynamo magnetyczne w galaktykach czy gwiazdach, potrafi jedynie wzmocnić już istniejące pole, ale samo w sobie nie potrafi go wytworzyć go “od zera”. Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w Kalifornii (USA) przeprowadzili przełomowy eksperyment, w którym potwierdzili powstawanie pola magnetycznego w ramach niestabilności Weibela.
Niestabilność Weibela występuje w plazmie jednorodnej lub bardzo bliskiej jednorodności, w której poruszają się dwa przeciwnie skierowane strumienie cząstek. Do takiej sytuacji może dochodzić np. gdy w plazmie obecne są obszary o różnej temperaturze. W wyniku ruchu cząstek pojawia się pole elektromagnetyczne. Eksperymentalne potwierdzenie działania niestabilności Weibela sprawiało wiele problemów od dziesiątek lat. W najnowszym artykule opublikowanym na łamach czasopisma Nature Physics, naukowcy z LLNL opisują pierwsze udane pomiary pola magnetycznego powstałego w wyniku działania mechanizmu Weibela. Do wytworzenia przeciwnie skierowanych strumieni materii wykorzystano lasery dużej mocy.
Odkrycie naukowców dowodzi, że niestabilność Weibela może efektywnie generować lokalnie pole magnetyczne. Jeżeli następnie takie pole będzie wzmocnione do wielkoskalowego pola procesami, które w większości znamy (np. dynamo magnetyczne), to wówczas możemy wyjaśnić powszechną obecność pola magnetycznego w obiektach astrofizycznych. Dodatkowo w trakcie niestabilności Weibela pole magnetyczne może uwięzić jony powodując tym samym powstawanie tzw. szoków, w których mogą być przyspieszane cząstki promieniowania kosmicznego.
Naukowcy do pomiarów wykorzystali związek deuteru i helu ( D-3He ), dzięki któremu udało się potwierdzić działanie tej niestabilności. To bardzo ważny wynik, ponieważ leży u podstaw magnetyzmu całego Wszechświata. Do uzupełniania uzyskanych wyników wykonano również skomplikowane trójwymiarowe symulacje komputerowe, dzięki którym pozyskano dodatkowe informacje na temat niestabilności. Główny eksperyment przeprowadzono w Omega Laser Facility w laboratorium University of Rochester’s Laboratory for Laser Energetics.
Na ilustracji: Przeciwnie skierowane strumienie plazmy zostały wyprodukowane z wykorzystaniem kilku wiązek laserowych, którymi ogrzewano plastikowe dyski. Inne wiązki laserowe skierowano na pojemnik z gazem deuterowo-helowym. W trakcie eksperymentu dochodzi do implozji pojemnika, z którego w krótkim czasie uwalniane są protony. Cząstki te przelatując przez plazmę są rozpraszane przez pola elektryczne i magnetyczne, a następnie rejestrowane w detektorze po drugiej stronie. Dzięki temu udało się zaobserwować charakterystyczną włóknistą strukturę, która powstaje w trakcie niestabilności.
Źródło: http://www.nature.com
Badacze mając już sprawdzoną aparaturę badawczą oraz metodę inicjowania niestabilności Weibela planują wykonać szereg kolejnych eksperymentów mający na celu sprawdzenie działania mechanizmu w warunkach zbliżonych do tych panujących w środowiskach astrofizycznych. W LLNL rozpoczęto już prace nad sprawdzeniem, czy szybsze strumienie plazmy generują silniejsze pole magnetyczne. Jeżeli faktycznie tak jest, to oznacza również, że powstające w niej szoki będą w pełni rozwinięte, czyli przyspieszanie cząstek promieniowania kosmicznego będzie efektywniejsze. Są to pierwsze tego typu eksperymenty przeprowadzone w laboratoriach.
Czytaj więcej:
- Artykuł: Observation of magnetic field generation via the Weibel instability in interpenetrating plasma flows, Nature Physics (2015) doi:10.1038/nphys3178
Źródło: www.llnl.gov
Opracowanie: Hubert Siejkowski
(Tekst ukazał się pierwotnie w serwisie edukacyjnym PTA Orion, którego zasoby zostały włączone do portalu Urania)
Na zdjęciu: Wnętrze aparatury w trakcie pracy. To właśnie ją wykorzystano do eksperymentów z generowaniem pola magnetycznego w niestabilności Weibela.
Źródło: University of Rochester’s Laboratory for Laser Energetics
