Исследователи раскрывают внутреннюю работу теплопроводности в скоплениях галактик

Внутренние механизмы теплопроводности в скоплениях галактик были раскрыты совместными усилиями международных исследователей под руководством Оксфордского, Рочестерского и Чикагского университетов.

Слева: фотография мишени TDYNO, развернутой в Национальном центре зажигания в рамках программы Discovery Science. Справа: фотография рентгеновского изображения турбулентной плазмы, образовавшейся в ходе экспериментов, сделанная через 28 миллиардных долей секунды после срабатывания лазеров.

Большая часть вещества в скоплениях галактик находится в форме разреженного ионизированного газа, называемого плазмой, который пронизан магнитными полями и находится в турбулентном состоянии; Наблюдая за многими из этих скоплений галактик, астрономы столкнулись с трудной загадкой: все они кажутся намного горячее, чем ожидалось.

Автор статьи д-р Джена Мейнеке и исследовательская группа использовали самую большую лазерную систему в мире — Национальную установку зажигания (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) в Калифорнии — для создания копии условий плазмы, которые, как ожидается, возникнут в скопления галактик.

Соавтор профессор Александр Щекочихин, кафедра физики Оксфордского университета, говорит, что «как энергия впрыскивается в плазму, заполняющую скопления галактик, бурно активными галактиками в их центрах, как она затем распространяется вокруг и нагревает всю огромную система, производящая рентгеновское свечение, которое улавливают такие обсерватории, как рентгеновская обсерватория Чандра, — это фундаментальные вопросы о крупнейших строительных блоках нашей Вселенной. как зарегистрироваться на бинансе

Как наблюдения, так и логика наших теоретических моделей предполагают, что теплопроводность в этих плазмах сильно подавлена ​​по сравнению с наивными ожиданиями. Несколько схем такого подавления были теоретизированы и смоделированы численно, но очень условно».

«Внезапно у нас есть это в настоящей лабораторной плазме, и поэтому у эксперимента теперь есть шанс обойти теорию, помогая разобраться в основных свойствах астрофизической плазмы, а это захватывающая перспектива».

Доктор Мейнеке, который был в Оксфордском университете во время исследования, а сейчас находится в Государственном университете Бойсе, продолжил: «Эксперименты, проводимые в NIF, буквально не от мира сего. Способный передать мощную динамику Вселенной в лабораторию, NIF действительно дает возможность шагнуть в неизвестное».

Исследователи использовали лазерные лучи для испарения пластиковой фольги и создания турбулентной намагниченной плазмы в экспериментах в NIF.

Доктор Арчи Ботт из отдела астрофизических наук Принстонского университета говорит, что «уникальность этих экспериментов NIF заключается в том, что электроны в плазме достаточно редко сталкиваются друг с другом, и в конечном итоге они следуют за запутанными силовыми линиями магнитного поля».

«Это явление, которое, как считается, происходит в скоплениях галактик, приводит к подавлению теплопроводности», — сказал доктор Ботт.

Этот эффект отчетливо виден в лабораторных данных: измерения показывают очаги горячей плазмы, которые сохраняются во времени и тепло не может уйти.

Главный исследователь экспериментов профессор Джанлука Грегори с факультета физики Оксфордского университета говорит, что «эта работа является важным шагом к пониманию микроскопических процессов, происходящих в намагниченной и турбулентной плазме. Экспериментальные данные несколько удивительны, поскольку они демонстрируют, что энергия передается способами, которые сильно отличаются от того, что мы ожидали бы от простых теорий».

«Это действительно поразительный результат», — подтверждает профессор Петрос Цеферакос, директор Центра вычислительных наук Flash, который руководил моделированием для разработки и помощи в интерпретации экспериментальной кампании NIF.

«Для моделирования экспериментов NIF мы задействовали весь спектр физических возможностей FLASH, кода мультифизического моделирования, который мы разрабатываем. Моделирование FLASH сыграло ключевую роль в распутывании физических явлений турбулентной намагниченной плазмы, но уровень подавления теплового переноса оказался выше того, что мы ожидали».

Хотя моделирование воспроизводит экспериментальные результаты, контролируя перенос электронного тепла, микроскопический механизм, в конечном итоге ответственный за наблюдаемое подавление, остается неясным.

Идет подготовка к дальнейшей работе с использованием лазера NIF для изучения деталей этих взаимодействий.

«Эти эксперименты дают представление о сложных физических процессах, а также поднимают дополнительные вопросы, на которые мы надеемся ответить в предстоящих экспериментах NIF Discovery Science с оптимизированным дизайном мишени и диагностической конфигурацией», — сказал доктор Джеймс Стивен Росс, координатор проекта в LLNL.

Эти эксперименты демонстрируют, как лабораторные исследования могут помочь в понимании астрофизических систем, дополняя наблюдения.