O universo está cheio de campos magnéticos. Compreender como os campos magnéticos são gerados e amplificados nos plasmas é essencial para estudar como grandes estruturas no universo foram formadas e como a energia é dividida em todo o cosmos.

Uma colaboração internacional, co-liderado por pesquisadores da Universidade de Rochester, a Universidade de Oxford, e a Universidade de Chicago, conduziu experimentos que capturaram pela primeira vez em um laboratório definindo a história do crescimento de campos magnéticos pelo turbulento dínamo, um mecanismo físico considerado responsável por gerar e sustentar campos magnéticos astrofísicos.

Os experimentos acessaram condições relevantes para a maioria dos plasmas no universo e quantificaram a taxa na qual o dínamo turbulento amplifica os campos magnéticos, uma propriedade anteriormente derivada apenas de previsões teóricas e simulações numéricas. A rápida amplificação que eles encontraram excede as expectativas teóricas e pode ajudar a explicar a origem dos campos de grande escala atuais que são observados em aglomerados de galáxias. Seus resultados foram publicados em 8 de março no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Os pesquisadores - parte da equipe Turbulent Dynamo (TDYNO) - conduziram sua pesquisa experimental na Omega Laser Facility no Laboratório de Laser Energetics (LLE) da Universidade de Rochester, onde eles já haviam demonstrado experimentalmente a existência do mecanismo de dínamo turbulento. Essa descoberta rendeu à equipe o Prêmio John Dawson 2019 de Excelência em Pesquisa em Física de Plasma da American Physical Society.

Em seus experimentos mais recentes na Omega Laser Facilty, os pesquisadores usaram feixes de laser cuja potência total é equivalente a 10, 000 reatores nucleares. Eles foram capazes de alcançar condições relevantes para o calor, plasma difuso do meio intracluster no qual se pensa que o mecanismo turbulento do dínamo opera. A equipe então mediu em função do tempo a amplificação do campo magnético produzida por esse mecanismo.

"Compreender como e em que taxas os campos magnéticos são amplificados em escalas macroscópicas na turbulência astrofísica é a chave para explicar os campos magnéticos vistos em aglomerados de galáxias, as maiores estruturas do Universo, "diz Archie Bott, um associado de pesquisa de pós-doutorado no Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton e principal autor do estudo. "Embora os modelos numéricos e a teoria prevejam a amplificação do dínamo turbulento rápido em escalas muito pequenas em comparação com os movimentos turbulentos, permaneceu incerto se o mecanismo opera rápido o suficiente para contabilizar campos de forma dinâmica e significativa nas escalas maiores. "

No centro do mecanismo do dínamo astrofísico está a turbulência. Os campos magnéticos primordiais são gerados com intensidades consideravelmente menores do que aquelas vistas hoje em aglomerados de galáxias. Movimentos de plasma estocásticos, Contudo, pode pegar esses campos "semente" fracos e amplificar suas forças para valores significativamente maiores por meio do alongamento, torcer e dobrar o campo. A taxa em que essa amplificação acontece, a "taxa de crescimento, "difere para as diferentes escalas espaciais dos movimentos turbulentos do plasma:a teoria e as simulações preveem que a taxa de crescimento é grande nas menores escalas de comprimento, mas muito menor em escalas de comprimento comparáveis ​​às dos maiores movimentos turbulentos. Os experimentos TDYNO demonstraram que isso pode não seja o caso:o dínamo turbulento - quando operando em um plasma realista - pode gerar campos magnéticos em grande escala muito mais rapidamente do que o esperado atualmente pelos teóricos.

"Nossa compreensão teórica do funcionamento do dínamo turbulento cresceu continuamente por mais de meio século, "diz Gianluca Gregori, professor de física do Departamento de Física da Universidade de Oxford e líder experimental do projeto. "Nossos recentes experimentos movidos a laser TDYNO foram capazes de abordar pela primeira vez como o dínamo turbulento evolui com o tempo, permitindo-nos medir experimentalmente sua taxa de crescimento real. "

Esses experimentos são parte de um esforço concertado da equipe TDYNO para responder às principais questões que são debatidas na turbulenta literatura sobre dínamo, estabelecendo experimentos de laboratório como um componente no estudo de plasmas magnetizados turbulentos. A colaboração construiu uma plataforma experimental inovadora que, juntamente com o poder do laser OMEGA, permite que a equipe investigue os diferentes regimes de plasma relevantes para vários sistemas astrofísicos. Os experimentos são projetados usando simulações numéricas realizadas com o código FLASH, um código de simulação disponível publicamente que pode modelar com precisão experimentos conduzidos a laser de plasmas de laboratório. FLASH é desenvolvido pelo Flash Center for Computational Science, que recentemente se mudou da Universidade de Chicago para a Universidade de Rochester.

"A capacidade de fazer alta fidelidade, modelagem preditiva com FLASH, e os recursos de diagnóstico de última geração do Omega Laser Facility no LLE, colocamos nossa equipe em uma posição única para avançar decisivamente em nossa compreensão de como os campos magnéticos cósmicos surgem, "diz Petros Tzeferacos, um professor associado do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Rochester e um cientista sênior do LLE - o líder de simulação do projeto. Tzeferacos também atua como diretor do Flash Center em Rochester.

"Este trabalho abre caminho para investigações de laboratório de uma variedade de processos astrofísicos mediados por turbulência magnetizada, "acrescenta Don Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emérito em Astronomia e Astrofísica na Universidade de Chicago e investigador principal do projeto TDYNO National Laser User Facility (NLUF). "É realmente emocionante ver os resultados científicos que a engenhosidade desta equipe está possibilitando."