Das Universum wird als extrem magnetischer Ort angesehen, an dem viele Planeten und Sterne ihre eigenen Magnetfelder haben. Astrophysiker haben diese erstaunlichen Phänomene lange untersucht und Theorien aufgestellt, die den Entstehungsmechanismus selbst erklären können.
Mit Hilfe eines der leistungsstärksten Lasersysteme der Welt bestätigten Forscher der Universität Chicago experimentell eine der beliebtesten Theorien zur Erzeugung eines kosmischen Magnetfelds - den turbulenten Dynamo. Nachdem sich ein heißes turbulentes Plasma von der Größe eines Pennys gebildet hatte und mehrere Milliarden Sekundenbruchteile dauerte, stellten die Wissenschaftler fest, wie turbulente Bewegungen das schwache Magnetfeld auf die in unserer Sonne und in fernen Galaxien beobachteten Stärken verstärken.
Für die Analyse verwendeten wir den FLASH-Simulationscode und das Experiment selbst wurde in der OMEGA Laser Facility (Rochester, New York) durchgeführt, wo die turbulenten Bedingungen des Dynamos nachgebildet wurden. Das Experiment zeigte, dass turbulentes Plasma das schwache Magnetfeld dramatisch auf die in Sternen und Galaxien beobachtete Größe anheben kann.
Jetzt wissen Wissenschaftler, dass es einen turbulenten Dynamo gibt, und dies ist einer der Mechanismen, die die Magnetisierung des Universums tatsächlich erklären. Der mechanische Dynamo erzeugt durch die Drehung der Spulen in einem Magnetfeld einen elektrischen Strom. In der Astrophysik weist die Dynamo-Theorie auf das Gegenteil hin: Die Bewegung einer elektrisch leitenden Flüssigkeit erzeugt und erhält ein Magnetfeld aufrecht. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts schlug Joseph Larm vor, dass ein solcher Mechanismus den Erd- und Sonnenmagnetismus erklären und die Diskussion für viele Wissenschaftler eröffnen könnte. Die numerische Modellierung zeigte die Möglichkeit, dass turbulentes Plasma Magnetfelder im Sternmaßstab erzeugt, aber die Erzeugung eines turbulenten Dynamos im Labor ist viel schwieriger. Um die Theorie zu bestätigen, müssen Sie das Plasma auf extrem hohe Temperaturen bringen. Gleichzeitig muss es zu Inkonsistenzen kommen, um ein ausreichendes Maß an Turbulenzen zu erzeugen.
Für das Experiment verwendeten die Wissenschaftler mehrere hundert 3D-Simulationen mit FLASH auf dem Mira-Supercomputer. Der endgültige Aufbau beinhaltete explosive Teile der Folie mit Hochleistungslasern, die zwei Plasmastrahlen durch die Gitter bewegten, wodurch eine turbulente Bewegung des Fluids erzeugt wurde.
Das Team verwendete die FLASH-Modelle auch, um zwei unabhängige Methoden zur Messung des vom Plasma erzeugten Magnetfelds zu entwickeln: Protonenradiographie und polarisiertes Licht. Beide Messungen verfolgten das Wachstum eines Nanosekunden-Magnetfelds von einem schwachen Ausgangszustand bis zu einem Anstieg von mehr als 100 Kilogauß (eine Million Mal stärker als das Erdmagnetfeld).
Diese Arbeit erlaubt es, Ideen über die Entstehung von Magnetfeldern im Raum experimentell zu testen. Jetzt können Forscher tiefere Fragen untersuchen: Wie schnell steigt das Magnetfeld an, wie stark ist die Region und wie verändern sich die Turbulenzen?
