唧唧堂名校科研介绍2014-08-08 3:46 PM

空间激光“超新星”模仿磁场

科学家们利用位于英国Vulcan的激光装置重建了一颗超新星来试图探寻更多有关磁场的起源。他们通过在置于充满低浓度气体的封闭室内的小型碳棒上聚焦超级功率激光束(比激光棒牛掰6百亿倍!)来进行超新星重建。该激光器产生的几百万度高温使小型碳棒发生爆裂,这导致了通过气体发生的爆炸膨胀。爆裂的碳棒使研究团队能够重建促使太空磁场发生膨胀的动荡。 芝加哥大学天文学和天体物理学教授Don Lamb表示,宇宙中磁场无处不在。 宇宙大爆炸初始时这种磁场并不存在,对此我们非常确定。由此我们直问:磁场如何产生? 

Lamb和同事们正试图通过激光实验解开这一难题,他们在发表于《Nature Physics》杂志的研究论文中对此进行了详述。研究灵感受启发于超新星残骸仙后座A所探测到的约百倍强于邻近星际空间的磁场。 

小规模超新星

牛津大学物理学教授Gianluca Gregori表示,类似普通房间尺寸的桌面实验室实验可以用来研究跨越光年的天体物理对象,这听起来令人十分惊讶。在现实中,不管在哪物理定律都恒定不变,且物理过程可以由此及彼进行衡量,如同水桶中的水波纹类似于大海中的海浪。因此我们的实验可以为如仙后座A超新星事件的观测提供补充。这一超前实验能得以实现全靠芝加哥的Lamb研究团队和Gregori实验团队紧密的通力合作。

论文主要作者牛津大学物理学系Jena Meinecke表示,由于发生事件的复杂性,这种模拟对准确推断事件发生过程并因此确认这些发生中的机制,以及他们正按理论预测方式运作来说至关重要。磁场变化范围从宇宙空洞中的千万亿分之一高斯到星系和星系团中的百万分之一高斯(普通冰箱磁铁的磁场大约为50高斯)。类日恒星测估具有数以千计的高斯。由恒星内核烧毁而来的极其致密的中子星则展示出了最大的磁场,其磁力超出数以千兆计高斯。 

激光器和超级计算机 

在2012年,Gregori的研究团队在实验室中通过一个常被援引的被称为Biermann的电池机制成功创建了一个被称为“种子域”的小型磁场。但“种子域”如何发育至星际空间中的庞大规模呢?以早期发现为基石,Gregori和分布于世界各地11个机构的合作者能够通过最新激光实验中的湍流来证明磁场的扩增。实验表明,由于爆炸冲击波穿过网格,使其变得不规则和动荡,如同所摄仙后座图像一样。研究合著作者兼芝加哥研究科学家Petros Tzeferacos表示,实验人员了解给定点的所有物理变量。他们精确知道实验相关的温度,密度和速度。Tzeferacos和同事将数据整合转化为实验模拟。Tzeferacos表示,这使我们能对照所见之物检测代码。被称为“验证”的这种基准测试表明该模拟可以重现实验数据。这一实验模拟花费了Argonne国家实验室中的Mira和Intrepid超级计算机2千万小时的处理时间。其中Mira超级计算机每秒能运行1万兆次计算,比Intrepid要快上20倍。获得验证后,合作团队的所有成员就可以多次返回模拟来解开有关所观测物理现象的新难题。 Lamb表示我们可以查看速度而非磁场密度,或者也可以查看其压力。这种模拟是记录实际发生事件相关信息的宝库。这对正确理解所发生事件来说至关重要。

美国能源署为该项研究工作提供了资金支持。

英文报道
LASER ‘SUPERNOVA’ MIMICS MAGNETIC FIELDS IN SPACE
http://www.jijitang.com/note/5567

论文原文
《Turbulent amplification of magnetic fields in laboratory laser-produced shock waves》,2014年6月1日发表于 "Nature Physics" 网站.
http://www.jijitang.com/note/5573

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