Desentrañan el funcionamiento interno de la conducción de calor en los cúmulos de galaxias


El funcionamiento interno de la conducción de calor en los clústeres de galaxias se ha desentendido por una colaboración de investigadores internacionales dirigidos por la Universidad de Oxford, Universidad de Rochester y la Universidad de Chicago.

Izquierda: Foto del objetivo TDYNO desplegado en la Instalación Nacional de Ignición a través del programa Discovery Science. El objetivo experimental consta de dos láminas y un par de rejillas, unidas por escudos cilíndricos. Cada objetivo es del tamaño de un centavo. Crédito de la foto: equipo de Operaciones de la Instalación Nacional de Ignición. Derecha: imagen de rayos X del plasma turbulento generado en los experimentos, tomada 28 mil millonésimas de segundo después del disparo del láser. El plasma caliente emite rayos X suaves, lo que permite a los investigadores caracterizar las propiedades del flujo turbulento y medir las fluctuaciones de la temperatura de los electrones que revelaron la fuerte supresión del transporte de calor. Crédito: equipo de Operaciones de la Instalación Nacional de Ignición

La mayoría de las materias en los grupos de galaxias se encuentran en forma de gases de agua ionizados tenue llamado plasma que está roscado por campos magnéticos y está en un estado turbulento.

Al observar muchos de estos grupos de galaxias, los astrónomos han estado enfrentando un enigma difícil: todos parecen mucho más calientes de lo esperado. Autor de papel El Dr. Jena Meinecke y el equipo de investigación utilizaban el sistema láser más grande del mundo, la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en California, para crear una réplica de las condiciones plasmáticas que se espera que se produzcan en Los grupos de galaxias.

El profesor de coautora Alexander Schekochihin, departamento de física de la Universidad de Oxford, dice que «la energía se inyecta en el plasma que llena los grupos de galaxias por las galaxias violentamente activas en sus centros, cómo se distribuye y se calienta. Hasta todo el enorme sistema, que produce el brillo de la radiografía que observa los observatorios como la recogida de observatorio de rayos X de Chandra, estas son preguntas fundamentales sobre los mayores bloques de construcción de nuestro universo.

Simulaciones FLASH de la plataforma TDYNO con conductividad térmica de Spitzer encendida (izquierda) y apagada (derecha), mostrando la temperatura de los electrones en electronvoltios, eV (1 eV corresponde a 11 333 oC o 20 431 oF). La fuerte magnetización del plasma lograda en los experimentos NIF TDYNO da como resultado una supresión significativa de la conducción térmica, lo que a su vez da como resultado fluctuaciones significativas en la temperatura de los electrones (derecha), que se reproducen en la simulación FLASH. Crédito: Yingchao Lu, Universidad de Rochester.

Ambas observaciones y la lógica de nuestros modelos teóricos sugieren que la conducción de calor en estos Los plasmas se suprimen fuertemente en comparación con las expectativas ingenuas. Varios esquemas para tal supresión se han teorizado y simulado numéricamente, pero muy tentativamente». «Aquí, de repente, lo tenemos en un verdadero plasma de laboratorio, por lo que el experimento ahora tiene la oportunidad de saltar la teoría de salvar a la ayuda a resolver las propiedades básicas de un plasma astrofísico, una perspectiva emocionante».

El Dr. Meinecke, quien estaba en la Universidad de Oxford durante la investigación y ahora está en la Universidad Estatal de Boise, continuó: «Los experimentos realizados en el NIF están literalmente fuera de este mundo. Capaz de llevar las poderosas dinámicas del universo al laboratorio, el NIF, realmente brinda oportunidades para intervenir a lo desconocido». Los investigadores utilizaron rayos láser para vaporizar láminas de plástico y generar un plasma turbulento y magnetizado en los experimentos en NIF. El Dr. Archie Bott, Departamento de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton, dice que «lo que es único en estos experimentos NIF es que los electrones en el plasma chocan suficientemente con frecuencia con frecuencia entre sí que terminan siguiendo las líneas de campo magnético enredado».

«Este fenómeno, que es precisamente lo que se cree que ocurre en grupos de galaxias, da lugar a la conducción de calor suprimido», dijo el Dr. Bott, este efecto se ve claramente en los datos de laboratorio: las mediciones muestran bolsillos de plasma caluroso que persisten en el tiempo y el calor no puede escapar. Radiación 3D Magneto-hidrodinámica Flash Simulación de la plataforma experimental NIF TDYNO. Representación del campo magnético en función del tiempo, con cuadrículas y escudos cilíndricos que se muestran en gris.

La ablación láser genera dos flujos de contador de contadores que pasan por las rejillas y chocan en el centro para formar una región turbulenta caliente donde la dinamo turbulenta puede operar. Los campos magnéticos de la semilla de la interacción del objetivo del láser alcanzan el centro y el dinamo turbulento los amplifica a valores grandes, un millón de veces la resistencia del campo magnético de la Tierra, lo que resulta en la marcada reducción de la conducción térmica.

El profesor Gianluca Gregori, departamento de Física de la Universidad de Oxford, dice que «este trabajo es un escalón importante para comprender los procesos microscópicos que se producen en los plasmas que son ambos. Magnetizado y turbulento. Los hallazgos experimentales son algo sorprendentes, ya que demuestran que la energía se transporta de manera muy diferente de lo que habríamos esperado de las teorías simples». «Este es de hecho un resultado asombroso», confirma el profesor Petros Tzeferacos, director del Centro Flash de Ciencia computacional, quien dirigió los esfuerzos de simulación para diseñar y ayudar a interpretar la campaña experimental de NIF. «Para modelar los experimentos de NIF, llevamos a soportar la plena variedad de capacidades de física de Flash, el código de simulación de múltiples físicas que desarrollamos.

Las simulaciones de flash fueron clave para desenredar la física en el juego en el plasma turbulento y magnetizado, pero el nivel La supresión de transporte térmico estaba más allá de lo que esperábamos». Aunque las simulaciones reproducen los resultados experimentales al controlar el transporte de calor de electrones, el mecanismo microscópico, en última instancia, responsable de la supresión observada sigue sin estar clara. Los preparativos están en marcha para un trabajo adicional utilizando el láser NIF para ver los detalles de estas interacciones. «Estos experimentos brindan información sobre los procesos de física complejos y también plantean preguntas adicionales que esperamos responder en los próximos experimentos de la ciencia de NIF Discovery con un diseño objetivo optimizado y una configuración de diagnóstico», dijo el Dr. James Steven Ross, el científico de enlace del proyecto en la llnl Estos experimentos demuestran cómo las exploraciones de laboratorio pueden ayudar a la comprensión de los sistemas astrofísicos de una manera que sea complementaria a las observaciones.

La investigación fue publicada en avances en ciencias.

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