O desenvolvimento de lasers ultra-intensos fornecendo a mesma energia de toda a rede elétrica dos EUA permitiu o estudo de fenômenos cósmicos, como supernovas e buracos negros em laboratórios terrestres. Agora, um novo método desenvolvido por astrofísicos computacionais da Universidade de Chicago permite que os cientistas analisem uma característica-chave desses eventos:seus poderosos e complexos campos magnéticos.

No campo da física de alta densidade de energia, ou HEDP, cientistas estudam uma ampla gama de objetos astrofísicos - estrelas, buracos negros supermassivos no centro de galáxias e aglomerados de galáxias - com experimentos de laboratório tão pequenos quanto um centavo e durando apenas alguns bilionésimos de segundo. Ao focar lasers poderosos em um alvo cuidadosamente projetado, os pesquisadores podem produzir plasmas que reproduzem as condições observadas por astrônomos em nosso Sol e em galáxias distantes.

O planejamento desses experimentos complexos e caros requer em larga escala, simulação de computador de alta fidelidade de antemão. Desde 2012, o Flash Center for Computational Science do Departamento de Astronomia e Astrofísica da UChicago forneceu o código de computador aberto líder, chamado FLASH, para essas simulações HEDP, permitindo aos pesquisadores ajustar experimentos e desenvolver métodos de análise antes da execução em locais como o National Ignition Facility no Lawrence Livermore National Laboratory ou o OMEGA Laser Facility em Rochester, NOVA IORQUE.

"Assim que o FLASH se tornou disponível, houve uma espécie de debandada para usá-lo para projetar experimentos, "disse Petros Tzeferacos, professor assistente de pesquisa de astronomia e astrofísica e diretor associado do Flash Center.

Durante esses experimentos, Os feixes de sonda a laser podem fornecer aos pesquisadores informações sobre a densidade e a temperatura do plasma. Mas uma medida chave, o campo magnético, permaneceu indescritível. Para tentar extrair medições de campo magnético de condições extremas de plasma, cientistas do MIT desenvolveram uma técnica de diagnóstico experimental que usa partículas carregadas, chamada radiografia de prótons.

Em um novo artigo para o jornal Revisão de instrumentos científicos , Os cientistas do Flash Center, Carlo Graziani, Donald Lamb e Tzeferacos, com Chikang Li do MIT, descrever um novo método para aquisição de quantitativos, informações de alta resolução sobre esses campos magnéticos. A descoberta deles, refinado usando simulações FLASH e resultados experimentais reais, abre novas portas para a compreensão dos fenômenos cósmicos.

"Escolhemos ir atrás de experimentos motivados pela astrofísica, onde os campos magnéticos eram importantes, "disse Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emérito em Astronomia e Astrofísica e diretor do Flash Center. "A criação do código mais a necessidade de tentar descobrir como entender quais campos magnéticos são criados nos levou a construir este software, que pode, pela primeira vez, reconstruir quantitativamente a forma e a força do campo magnético. "

Experimentos em ascensão

Na radiografia de prótons, prótons energéticos são disparados através do plasma magnetizado em direção a um detector do outro lado. À medida que os prótons passam pelo campo magnético, eles são desviados de seu caminho, formando um padrão complexo no detector. Esses padrões eram difíceis de interpretar, e os métodos anteriores só podiam fazer declarações gerais sobre as propriedades do campo.

"Os campos magnéticos desempenham papéis importantes essencialmente em quase todos os fenômenos astrofísicos. Se você não consegue realmente ver o que está acontecendo, ou estudá-los, você está perdendo uma parte importante de quase todos os objetos ou processos astrofísicos em que está interessado, "disse Tzeferacos.

Ao conduzir experimentos simulados com campos magnéticos conhecidos, a equipe do Flash Center construiu um algoritmo que pode reconstruir o campo a partir do padrão de radiografia de prótons. Uma vez calibrado computacionalmente, o método foi aplicado a dados experimentais coletados em instalações de laser, revelando novos insights sobre eventos astrofísicos.

A combinação do código FLASH, o desenvolvimento do diagnóstico de radiografia de prótons, e a capacidade de reconstruir campos magnéticos a partir dos dados experimentais, estão revolucionando a astrofísica de plasma de laboratório e HEDP. "A disponibilidade dessas ferramentas fez com que o número de experimentos HEDP que estudam campos magnéticos disparasse, "disse Lamb.

O novo software para reconstrução de campo magnético, chamado PRaLine, será compartilhado com a comunidade como parte do próximo lançamento do código FLASH e como um componente separado disponível no GitHub. Lamb e Tzeferacos disseram que esperam que seja usado para estudar muitos tópicos de astrofísica, como a aniquilação de campos magnéticos na coroa solar; jatos astrofísicos produzidos por objetos estelares jovens, o pulsar da nebulosa do caranguejo, e os buracos negros supermassivos no centro das galáxias; e a amplificação de campos magnéticos e aceleração de raios cósmicos por choques em remanescentes de supernovas.

"Os tipos de experimentos que os cientistas do HEDP realizam agora são muito diversos, "disse Tzeferacos." O FLASH contribuiu para essa diversidade, porque permite que você pense fora da caixa, tente diferentes simulações de diferentes configurações, e ver quais condições de plasma você é capaz de atingir. "

O papel, "Inferindo Morfologia e Força de Campos Magnéticos de Radiografias de Prótons, "foi publicado online por Revisão de instrumentos científicos .