هدایت حرارتی کاوشگر لیزری در خوشه‌های کهکشانی

سمت چپ: عکس هدف دینام متلاطم مستقر در تأسیسات احتراق ملی (NIF). هدف آزمایشی شامل دو فویل و یک جفت شبکه است که توسط سپرهای استوانه‌ای در کنار هم نگه داشته می‌شوند. هر هدف تقریباً به اندازه یک پنی است. سمت راست: تصویر پرتو ایکس از پلاسمای آشفته تولید شده در آزمایش‌ها، که در 28 ns پس از شلیک لیزر گرفته شده است. پلاسمای داغ پرتوهای ایکس نرمی ساطع می‌کند که محققان را قادر می‌سازد ویژگی‌های جریان آشفته را مشخص کنند و نوسانات دمای الکترون را که سرکوب شدید انتقال گرما را آشکار می‌کند، اندازه‌گیری کنند.

پلاسمای داغ، متلاطم و ضعیف، خوشه‌های کهکشانی غول‌پیکری را پر می‌کند که در مناطق بزرگی از کیهان امتداد دارند، اما دانشمندان هنوز نمی‌دانند چنین مناطقی چگونه گرمای خود را حفظ می‌کنند. یک تیم بین المللی از محققان بخشی از قدرتمندترین تاسیسات لیزری جهان را برای بازسازی شرایط شدید درون این خوشه ها به کار گرفتند.

با تولید یک میدان پلاسمایی کوچک اما متلاطم در مرکز مرکز احتراق ملی (NIF)، ایالات متحده، دانشمندان دریافتند که انتقال گرما در داخل پلاسما بسیار کمتر از حد انتظار است (Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.abj6799) . محققان کشف کردند که الکترون‌های درون پلاسما در امتداد خطوط میدان مغناطیسی درهم‌پیچیده به جای برخورد با یکدیگر حرکت می‌کنند، بنابراین گرما بدون فرار باقی می‌ماند.

کاوش در شرایط اخترفیزیکی

بر اساس وب سایت آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور که NIF را در خود جای داده است، اگرچه اشتعال همجوشی هیدروژنی هدف اصلی NIF است، اخترفیزیکدانان همچنین می توانند با سیستم لیزر زمان آزمایشی برای کشف فیزیک پلاسماهای موجود در ستاره ها و سایر اجرام نجومی داشته باشند.

NIF دارای 192 لیزر شیشه ای فسفات قدرتمند است که با شلیک با هم، تا 2 مگا ژول انرژی متمرکز روی یک هدف کوچک تولید می کنند. با این حال، به گفته جیانلوکا گرگوری، محقق اصلی آزمایش خوشه کهکشانی، ماکت پلاسما تنها به کمی بیش از نیمی از زرادخانه لیزر NIF نیاز داشت. گرگوری، استاد فیزیک توضیح می‌دهد: «NIF برای استفاده از تمام 192 پرتو برای آزمایش‌های همجوشی طراحی شده است - اما آزمایش ما از جهت‌گیری هدف متفاوتی استفاده می‌کند و بنابراین همه پرتوها دید واضحی از فویل‌ها (یا کپسولی) ندارند که می‌خواهیم آنها را روشن کنیم. در دانشگاه آکسفورد انگلستان

دستگاهی که عمل پلاسما در آن انجام شد شامل دو دیسک نازک بود که توسط دو شبکه پلاستیکی و یک کپسول پر از گاز متصل شده بودند. محققان این دو دیسک را با 96 پرتو لیزر 351 نانومتری با فرکانس سه برابری منفجر کردند. شبکه‌ها با سیم‌های 300 میکرومتری با فاصله 300 میکرومتر از هم، آشفتگی را در داخل کپسول ایجاد کردند.

پس از پر کردن کپسول با مخلوطی از گازهای دوتریوم و هلیوم-3، دانشمندان با 60 پرتو لیزری با فرکانس سه برابری به آن برخورد کردند که حدود 43 کیلوژول را تنها در 900 ps ارسال می کرد. چهار پرتوی لیزر دیگر به عنوان یک کاوشگر پراکنده نوری تامسون برای اندازه‌گیری چگالی الکترون متوسط ​​در پلاسمای ایجاد شده به طور مختصر عمل کردند. (در برخی از آزمایش‌های آزمایشی، تیم آن کاوشگر را با یک سیستم پراکنده برگشتی جایگزین کرد که نور منعکس شده از آن چهار پرتو را اندازه‌گیری کرد تا سرعت آشفته در پلاسما را کمی‌سازی کند.)

گرگوری می‌گوید: اگرچه محققان قبلاً از تأسیسات لیزر OMEGA در دانشگاه روچستر ایالات متحده استفاده کرده بودند، گرگوری می‌گوید که این گروه به انرژی مورد نیاز NIF برای تولید سرعت‌های الکترونی بزرگ که منجر به تلاطم شدید و میدان‌های مغناطیسی در پلاسما می‌شود، نیاز داشتند. دانشمندان از FLASH، یک بسته محاسباتی از روچستر، برای طراحی پیکربندی آزمایشی و تفسیر نتایج استفاده کردند.

با وجود تفاوت‌های بزرگ در مقیاس بین یک خوشه کهکشانی و یک کپسول با قطر 860 میکرومتر، گرگوری مطمئن است که میکروفیزیک هر دو مشابه است. او می‌گوید: «عامل مهم در اینجا، نسبت مسیر آزاد میانگین برخورد به شعاع لارمور است. اولی فاصله بین دو برخورد است و دومی مدار دایره ای است که یک الکترون به دور یک خط میدان مغناطیسی می کند.

گرگوری می‌گوید در هر دو خوشه کهکشانی و در مرکز NIF، این نسبت بزرگ است - به این معنی که الکترون‌ها در اطراف خطوط میدان حرکت می‌کنند و با هم برخورد نمی‌کنند. از آنجایی که الکترون ها با هم برخورد نمی کنند، گرما را نیز به خوبی هدایت نمی کنند.

شبیه سازی های چند ماهه

به گفته گرگوری، تیم از زمان افتتاح NIF در سال 2010 روی این آزمایش‌ها کار کرده است. تیم گرگوری به دنبال زمان NIF بیشتری است تا بفهمد ذرات پرانرژی مانند پرتوهای کیهانی چگونه در پلاسمای داغ و پراکنده عمل می کنند.

این تیم شامل دانشمندانی از دانشگاه های شیکاگو، روچستر، پرینستون و استنفورد، ایالات متحده است. آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور؛ و از بریتانیا، فرانسه، آلمان و جمهوری کره.