Lo sviluppo di laser ultra-intensi che forniscono la stessa potenza dell'intera rete elettrica degli Stati Uniti ha consentito lo studio di fenomeni cosmici come supernovae e buchi neri nei laboratori terrestri. Ora, un nuovo metodo sviluppato dagli astrofisici computazionali dell'Università di Chicago consente agli scienziati di analizzare una caratteristica chiave di questi eventi:i loro potenti e complessi campi magnetici.

Nel campo della fisica ad alta densità di energia, o HEDP, scienziati studiano una vasta gamma di oggetti astrofisici:stelle, buchi neri supermassicci al centro di galassie e ammassi di galassie, con esperimenti di laboratorio piccoli come un centesimo e della durata di pochi miliardesimi di secondo. Mettendo a fuoco potenti laser su un bersaglio accuratamente progettato, i ricercatori possono produrre plasmi che riproducono le condizioni osservate dagli astronomi nel nostro sole e nelle galassie lontane.

La pianificazione di questi esperimenti complessi e costosi richiede su larga scala, simulazione al computer ad alta fedeltà in anticipo. Dal 2012, il Flash Center for Computational Science del Dipartimento di Astronomia e Astrofisica di UChicago ha fornito il principale codice per computer aperto, chiamato FLASH, per queste simulazioni HEDP, consentendo ai ricercatori di mettere a punto esperimenti e sviluppare metodi di analisi prima dell'esecuzione in siti come il National Ignition Facility presso il Lawrence Livermore National Laboratory o l'OMEGA Laser Facility a Rochester, N.Y.

"Non appena FLASH è diventato disponibile, c'era una specie di fuga precipitosa per usarlo per progettare esperimenti, " disse Petros Tzeferacos, professore assistente di ricerca di astronomia e astrofisica e direttore associato del Flash Center.

Durante questi esperimenti, i fasci di sonde laser possono fornire ai ricercatori informazioni sulla densità e la temperatura del plasma. Ma una misura chiave, il campo magnetico, è rimasto inafferrabile. Per cercare di ottenere misurazioni del campo magnetico da condizioni estreme del plasma, gli scienziati del MIT hanno sviluppato una tecnica diagnostica sperimentale che utilizza invece particelle cariche, chiamata radiografia protonica.

In un nuovo articolo per il giornale Rassegna di strumenti scientifici , Gli scienziati del Flash Center Carlo Graziani, Donald Lamb e Tzeferacos, con Chikang Li del MIT, descrivere un nuovo metodo per acquisire quantitativi, informazioni ad alta risoluzione su questi campi magnetici. La loro scoperta, perfezionato utilizzando simulazioni FLASH e risultati sperimentali reali, apre nuove porte alla comprensione dei fenomeni cosmici.

"Abbiamo scelto di seguire esperimenti motivati ​​dall'astrofisica in cui i campi magnetici erano importanti, " disse Agnello, il Robert A. Millikan Distinguished Service Professor emerito in Astronomia e Astrofisica e direttore del Flash Center. "La creazione del codice più la necessità di cercare di capire come capire quali campi magnetici vengono creati ci ha portato a costruire questo software, che può per la prima volta ricostruire quantitativamente la forma e la forza del campo magnetico."

Esperimenti alle stelle

Nella radiografia protonica, i protoni energetici vengono sparati attraverso il plasma magnetizzato verso un rivelatore dall'altra parte. Quando i protoni passano attraverso il campo magnetico, sono deviati dal loro cammino, formando uno schema complesso sul rivelatore. Questi modelli erano difficili da interpretare, e i metodi precedenti potevano solo fare affermazioni generali sulle proprietà del campo.

"I campi magnetici giocano un ruolo importante essenzialmente in quasi tutti i fenomeni astrofisici. Se non sei in grado di guardare effettivamente cosa sta succedendo, o studiarli, ti manca una parte fondamentale di quasi tutti gli oggetti o processi astrofisici che ti interessano, ", ha detto Tzeferacos.

Conducendo esperimenti simulati con campi magnetici noti, il team di Flash Center ha costruito un algoritmo in grado di ricostruire il campo dal pattern radiografico del protone. Una volta calibrato computazionalmente, il metodo è stato applicato ai dati sperimentali raccolti presso le strutture laser, rivelando nuove intuizioni sugli eventi astrofisici.

La combinazione del codice FLASH, lo sviluppo della radiografia protonica diagnostica, e la capacità di ricostruire i campi magnetici dai dati sperimentali, stanno rivoluzionando l'astrofisica del plasma da laboratorio e l'HEDP. "La disponibilità di questi strumenti ha fatto salire alle stelle il numero di esperimenti HEDP che studiano i campi magnetici, " disse Agnello.

Il nuovo software per la ricostruzione del campo magnetico, chiamato PRaLine, sarà condiviso con la community sia come parte della prossima versione del codice FLASH sia come componente separato disponibile su GitHub. Lamb e Tzeferacos hanno detto che si aspettano che venga usato per studiare molti argomenti di astrofisica, come l'annientamento dei campi magnetici nella corona solare; getti astrofisici prodotti da giovani oggetti stellari, la pulsar della Nebulosa del Granchio, ei buchi neri supermassicci al centro delle galassie; e l'amplificazione dei campi magnetici e l'accelerazione dei raggi cosmici da shock nei resti di supernova.

"I tipi di esperimenti che gli scienziati HEDP eseguono ora sono molto diversi, " ha detto Tzeferacos. "FLASH ha contribuito a questa diversità, perché ti permette di pensare fuori dagli schemi, provare diverse simulazioni di diverse configurazioni, e vedi quali condizioni al plasma sei in grado di raggiungere."

La carta, "Dedurre la morfologia e la forza dei campi magnetici dalle radiografie protoniche, " è stato pubblicato online da Rassegna di strumenti scientifici .