196 lasers aident les scientifiques à recréer la condition

Les galaxies vivent rarement seules. Au lieu de cela, des dizaines à des milliers sont maintenus ensemble par la gravité, formant d’énormes amas des plus gros objets de l’univers.

« Les amas de galaxies sont parmi les choses les plus impressionnantes de l’univers », a déclaré le professeur émérite Don Lamb, astrophysicien à l’Université de Chicago et co-auteur d’un nouvel article publié le 9 mars. des décennies d’obscurité.

Les scientifiques savent depuis longtemps que l’hydrogène gazeux dans les amas de galaxies est trop chaud – environ 10 millions de degrés Kelvin, soit à peu près la même température que le centre du Soleil – et trop chaud pour que des atomes d’hydrogène existent. Au lieu de cela, le gaz est un plasma composé de protons et d’électrons.

Mais le mystère demeure : il n’y a aucune explication directe pour expliquer pourquoi ou comment le gaz reste si chaud. Selon les règles naturelles de la physique, il doit s’être refroidi pendant la durée de vie de l’univers. Mais elle ne l’a pas fait.

Le défi pour quiconque essaie de résoudre ce casse-tête est que vous ne pouvez pas exactement créer ce genre de conditions magnétiques chaudes et fortes dans votre propre arrière-cour.

Cependant, il n’y a maintenant qu’un seul endroit sur Terre où vous pouvez le faire : l’installation laser la plus active au monde. Le National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory est capable de créer de telles conditions extrêmes, mais seulement pendant une fraction de seconde à la taille d’un centime.

Des scientifiques d’UChicago, de l’Université d’Oxford et de l’Université de Rochester ont travaillé ensemble pour utiliser le National Ignition Facility – situé à Livermore, en Californie – pour créer des conditions similaires au gaz chaud dans des amas galactiques géants. « Les expériences menées au NIF sont littéralement hors de ce monde », a déclaré Jena Meinecke, qui était le premier auteur de l’article.

Les scientifiques ont concentré 196 lasers sur une seule petite cible, créant un plasma blanc chaud avec des champs magnétiques intenses présents pendant quelques milliardièmes de seconde.

C’était assez long pour qu’ils déterminent qu’au lieu d’une température uniforme, il y avait des points chauds et froids dans le plasma.

Ceci est cohérent avec l’une des théories qui ont été proposées sur la façon dont la chaleur est piégée à l’intérieur des amas de galaxies. Normalement, la chaleur peut être facilement distribuée lorsque les électrons entrent en collision les uns avec les autres. Mais les champs magnétiques intriqués à l’intérieur du plasma peuvent affecter ces électrons, les faisant tourner dans la direction des champs magnétiques, les empêchant de distribuer et de répartir leur énergie de manière uniforme.

En fait, ils ont vu dans l’expérience que la livraison de puissance était supprimée plus de 100 fois.

« C’est un résultat très excitant car nous avons pu montrer que ce que les astrophysiciens ont proposé est sur la bonne voie », a déclaré Lamb, professeur d’astronomie et d’astrophysique Robert A. Millikan.

« C’est en effet un résultat étonnant », a ajouté un co-auteur de l’étude à l’Université de Rochester. Professeur Petros Tseverakos, qui a supervisé les simulations informatiques de l’expérience complexe. « Les simulations ont été essentielles pour démêler la physique du plasma magnétisé turbulent, mais le niveau d’inhibition du transfert de chaleur était plus élevé que prévu. »

Les simulations ont été réalisées à l’aide d’un code informatique appelé FLASH Codes, qui a été développé à l’Université de Chicago et est maintenant hébergé à l’Université de Rochester. Centre Flash pour les sciences informatiquesdirigé par Tzeferacos. Le code permet aux scientifiques de simuler leurs expériences avec des lasers de manière très détaillée avant qu’elles ne soient réalisées, afin qu’ils puissent obtenir les résultats qu’ils recherchent.

Ceci est essentiel car les scientifiques n’obtiennent que quelques précieux instantanés dans l’installation – si quelque chose ne va pas, il n’y a pas de rediffusion. Et parce que les conditions de l’expérience ne durent qu’une nanoseconde, les scientifiques doivent s’assurer qu’ils effectuent les mesures dont ils ont besoin exactement au bon moment. Cela signifie que tout doit être soigneusement planifié très tôt.

« C’est un défi quand vous êtes à la toute fin de ce que vous pouvez faire, mais c’est là que se trouvent les limites », a déclaré Lamb.

Cependant, il y a encore plus de questions sur la physique des amas de galaxies. Bien que les points chauds et froids soient des preuves solides de l’influence des champs magnétiques sur le refroidissement des gaz chauds dans les amas de galaxies, d’autres expériences sont nécessaires pour comprendre exactement ce qui se passe. Le groupe planifie sa prochaine série d’essais au NIF plus tard cette année.

Pour l’instant, cependant, ils sont heureux de faire la lumière sur les raisons pour lesquelles le gaz dans les amas de galaxies reste chaud même après des milliards d’années.

Les galaxies vivent rarement seules. Au lieu de cela, des dizaines à des milliers sont maintenus ensemble par la gravité, formant d’énormes amas des plus gros objets de l’univers.

« Les amas de galaxies sont parmi les choses les plus impressionnantes de l’univers », a déclaré le professeur émérite Don Lamb, astrophysicien à l’Université de Chicago et co-auteur d’un nouvel article publié le 9 mars. des décennies d’obscurité.

Les scientifiques savent depuis longtemps que l’hydrogène gazeux dans les amas de galaxies est trop chaud – environ 10 millions de degrés Kelvin, soit à peu près la même température que le centre du Soleil – et trop chaud pour que des atomes d’hydrogène existent. Au lieu de cela, le gaz est un plasma composé de protons et d’électrons.

Mais le mystère demeure : il n’y a aucune explication directe pour expliquer pourquoi ou comment le gaz reste si chaud. Selon les règles naturelles de la physique, il doit s’être refroidi pendant la durée de vie de l’univers. Mais elle ne l’a pas fait.

Le défi pour quiconque essaie de résoudre ce casse-tête est que vous ne pouvez pas exactement créer ce genre de conditions magnétiques chaudes et fortes dans votre propre arrière-cour.

Cependant, il n’y a maintenant qu’un seul endroit sur Terre où vous pouvez le faire : l’installation laser la plus active au monde. Le National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory est capable de créer de telles conditions extrêmes, mais seulement pendant une fraction de seconde à la taille d’un centime.

Des scientifiques d’UChicago, de l’Université d’Oxford et de l’Université de Rochester ont travaillé ensemble pour utiliser le National Ignition Facility – situé à Livermore, en Californie – pour créer des conditions similaires au gaz chaud dans des amas galactiques géants. « Les expériences menées au NIF sont littéralement hors de ce monde », a déclaré Jena Meinecke, qui était le premier auteur de l’article.

Les scientifiques ont concentré 196 lasers sur une seule petite cible, créant un plasma blanc chaud avec des champs magnétiques intenses présents pendant quelques milliardièmes de seconde.

C’était assez long pour qu’ils déterminent qu’au lieu d’une température uniforme, il y avait des points chauds et froids dans le plasma.

Ceci est cohérent avec l’une des théories qui ont été proposées sur la façon dont la chaleur est piégée à l’intérieur des amas de galaxies. Normalement, la chaleur peut être facilement distribuée lorsque les électrons entrent en collision les uns avec les autres. Mais les champs magnétiques intriqués à l’intérieur du plasma peuvent affecter ces électrons, les faisant tourner dans la direction des champs magnétiques, les empêchant de distribuer et de répartir leur énergie de manière uniforme.

En fait, ils ont vu dans l’expérience que la livraison de puissance était supprimée plus de 100 fois.

« C’est un résultat très excitant car nous avons pu montrer que ce que les astrophysiciens ont proposé est sur la bonne voie », a déclaré Lamb, professeur d’astronomie et d’astrophysique Robert A. Millikan.

« C’est en effet un résultat étonnant », a ajouté un co-auteur de l’étude à l’Université de Rochester. Professeur Petros Tseverakos, qui a supervisé les simulations informatiques de l’expérience complexe. « Les simulations ont été essentielles pour démêler la physique du plasma magnétisé turbulent, mais le niveau d’inhibition du transfert de chaleur était plus élevé que prévu. »

Les simulations ont été réalisées à l’aide d’un code informatique appelé FLASH Codes, qui a été développé à l’Université de Chicago et est maintenant hébergé à l’Université de Rochester. Centre Flash pour les sciences informatiquesdirigé par Tzeferacos. Le code permet aux scientifiques de simuler leurs expériences avec des lasers de manière très détaillée avant qu’elles ne soient réalisées, afin qu’ils puissent obtenir les résultats qu’ils recherchent.

Ceci est essentiel car les scientifiques n’obtiennent que quelques précieux instantanés dans l’installation – si quelque chose ne va pas, il n’y a pas de rediffusion. Et parce que les conditions de l’expérience ne durent qu’une nanoseconde, les scientifiques doivent s’assurer qu’ils effectuent les mesures dont ils ont besoin exactement au bon moment. Cela signifie que tout doit être soigneusement planifié très tôt.

« C’est un défi quand vous êtes à la toute fin de ce que vous pouvez faire, mais c’est là que se trouvent les limites », a déclaré Lamb.

Cependant, il y a encore plus de questions sur la physique des amas de galaxies. Bien que les points chauds et froids soient des preuves solides de l’influence des champs magnétiques sur le refroidissement des gaz chauds dans les amas de galaxies, d’autres expériences sont nécessaires pour comprendre exactement ce qui se passe. Le groupe planifie sa prochaine série d’essais au NIF plus tard cette année.

Pour l’instant, cependant, ils sont heureux de faire la lumière sur les raisons pour lesquelles le gaz dans les amas de galaxies reste chaud même après des milliards d’années.

« C’est un rappel que l’univers est plein de choses incroyables », a déclaré Lamb.

Il était le chercheur principal de l’expérience Professeur Gianluca Gregory À partir de L’université d’Oxford. Les membres de l’équipe comprenaient également Oxford Professeur Alexander ShikuchinPrinceton Robot Archieet Laboratoire national Lawrence Livermore James Stephen Ross.