El desenvolupament de làsers ultra-intensos que alliberen la mateixa potència que tota la xarxa elèctrica nord-americana ha permès l'estudi de fenomens còsmics com ara les supernoves i els forats negres en laboratoris terrestres. Ara, un nou mètode desenvolupat per astrofísics computacionals a la Universitat de Chicago, permet als científics analitzar una característica clau d'aquests esdeveniments: els seus complexos camps magnètics.
En el camp de la física de densitat d'alta energia, o H
igh-Energy Density Physics (HEDP), els científics estudien una àmplia gamma d'objectes astrofísics-estrelles, forats negres supermassius al centre de les galàxies i clústers de galàxies, amb experiments de laboratori tan petits com una moneda de cèntim $US i que dura només poques mil milionèsimès parts de segon. En centrar els làsers de gran abast en un objectiu acuradament dissenyat, els investigadors poden produir plasmes que reprodueixen les condicions observades pels astrònoms del nostre Sol i les galàxies llunyanes.
La planificació d'aquests experiments complexos i costosos requereix d'una simulació informàtica a gran escala i d'alta fidelitat prèvia. Des de 2012, el Centre Flash per a la Ciència Computacional del Departament d'Astronomia i Astrofísica de la Universitat de Chicago ha proporcionat el codi obert de l'ordinador anomenat FLASH per a aquestes simulacions HEDP, que permet als investigadors ajustar els experiments i desenvolupar mètodes d'anàlisi abans d'executar-los en llocs com la instal·lació nacional d'ignició al Laboratori Nacional de Lawrence Livermore o la instal·lació de làser OMEGA a Rochester, NY.
Durant aquests experiments, la sonda làser podria proporcionar als investigadors informació sobre la densitat i la temperatura del plasma. Però una mesura clau, el camp magnètic, s'ha mantingut evident. Per intentar provar mesures de camp magnètic a partir de condicions extremes de plasma, els científics del MIT van desenvolupar una tècnica de diagnòstic experimental que utilitza partícules carregades, anomenades radiografia de protons.
En un nou article de la revista
Review of Scientific Instruments, els científics del Centre de Flash Carlo Graziani, Donald Lamb i Tzeferacos, amb el Chikang Li del MIT, van descriure un nou mètode per adquirir informació quantitativa i d'alta resolució sobre aquests camps magnètics. El seu descobriment, refinat mitjançant simulacions FLASH i resultats experimentals reals, obre noves portes per entendre els fenomens còsmics.
En la radiografia de protons, els protons energètics són disparats a través del plasma magnetitzat cap a un detector a l'altre costat. A mesura que els protons passen pel camp magnètic, es desvien del seu camí, formant un patró complex al detector. Aquests patrons van ser difícils d'interpretar, i els mètodes anteriors només podien fer declaracions generals sobre les propietats del camp.
En realitzar experiments simulats amb camps magnètics coneguts, l'equip Flash Center va construir un algorisme que pot reconstruir el camp des del patró de radiologia de protons. Un cop calibrat de forma computacional, el mètode es va aplicar a dades experimentals recollides en instal·lacions de làser que revelaven noves idees sobre esdeveniments astrofísics.
La combinació del codi FLASH, el desenvolupament del diagnòstic de radiografia de protons i la capacitat de reconstruir camps magnètics a partir de dades experimentals, revolucionen l'astrofísica de plasma de laboratori i la HEDP.
El nou programari per a la reconstrucció del camp magnètic, anomenat
PRaLine, es compartirà amb la comunitat tant com a part del proper llançament del codi FLASH com com a component separat disponible a GitHub. Lamb i Tzeferacos van dir que esperaven que s'utilitzés per estudiar molts temes d'astrofísica, com ara l'aniquilació de camps magnètics a la corona solar; jets astrofísics produïts per objectes estel·lars joves, el pulsar de la Nebulosa del Cranc, els forats negres supermassius al centre de les galàxies; i l'amplificació dels camps magnètics i l'acceleració dels raigs còsmics per xocs en restes de supernova.
El document,
Inferència de morfologia i força de camps magnètics a partir de radiografies de protons, va ser publicat en línia per
Review of Scientific Instruments.
Font: Universitat de Chicago
