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miércoles, febrero 8, 2023
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El mecanismo de los campos magnéticos cósmicos explorado en el laboratorio

La materia en nuestro universo observable está en estado de plasma y está magnetizada. Los campos magnéticos al nivel de micro-gauss (alrededor de una millonésima parte de los campos magnéticos de la Tierra) impregnan las galaxias.

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El plasma es materia tan caliente que los electrones se separan de los átomos. Los electrones flotan libremente y los átomos se convierten en iones. Esto crea un gas ionizado, plasma, que constituye casi todo el universo visible. Investigaciones recientes muestran que los campos magnéticos pueden surgir espontáneamente en un plasma. Esto puede suceder si el plasma tiene una anisotropía de temperatura, temperatura que es diferente a lo largo de diferentes direcciones espaciales.

Configuración experimental e instantáneas representativas de campos magnéticos de Weibel autogenerados. (A) Bosquejo del diseño experimental. (B) Cuadros representativos de la película de la desviación del haz de electrones por campos en el plasma. El primer cuadro muestra el perfil del haz de electrones sin láser. Los siguientes fotogramas muestran la evolución de los campos autogenerados en el plasma. La elipse punteada amarilla en el marco de 0 ps describe el contorno de intensidad estimado de 1014 W/cm2 (umbral de ionización) del láser de CO2. Las líneas blancas punteadas en los marcos de 3,3 ps y 116,7 ps se agregan para resaltar la orientación de las tiras de densidad seleccionadas. En el marco de 36,7 ps, las flechas blancas marcan las estructuras causadas por el cruce de la trayectoria de los electrones de la sonda que desplazan el plano del objeto efectivo más cerca del plasma. Todas las imágenes se giraron 12° en sentido contrario a las agujas del reloj para corregir la inclinación inducida por PMQ y poner la dimensión más larga del plasma elíptico paralela a la dirección de propagación del láser. Crédito: Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.221171311.
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Este mecanismo se conoce como inestabilidad de Weibel. Fue predicho por el teórico del plasma Eric Weibel hace más de seis décadas, pero solo ahora se ha observado sin ambigüedades en el laboratorio. Una nueva investigación, ahora publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences, encuentra que este proceso puede convertir una fracción significativa de la energía almacenada en la anisotropía de temperatura en energía de campo magnético. También encuentra que la inestabilidad de Weibel podría ser una fuente de campos magnéticos que impregnan todo el cosmos.

La materia en nuestro universo observable está en estado de plasma y está magnetizada. Los campos magnéticos al nivel de micro-gauss (alrededor de una millonésima parte de los campos magnéticos de la Tierra) impregnan las galaxias. Se cree que estos campos magnéticos se amplifican a partir de campos de semillas débiles por el movimiento en espiral de las galaxias, conocido como dínamo galáctico. Cómo se crean los campos magnéticos de las semillas es una cuestión de larga data en astrofísica.

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Evolución del agrupamiento medido de la sonda de electrones. Crédito: Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.221171311

Este nuevo trabajo ofrece una posible solución a este molesto problema del origen de los campos magnéticos de semillas a nivel de microgauss. La investigación utilizó una plataforma novedosa que tiene un gran potencial para estudiar la dinámica ultrarrápida de los campos magnéticos en los plasmas de laboratorio que son relevantes para la astrofísica y la física de alta densidad de energía.

Teorizado por primera vez hace seis décadas, se cree que la inestabilidad de Weibel impulsada por la anisotropía de la temperatura es un mecanismo importante para la automagnetización de muchos plasmas astrofísicos y de laboratorio. Sin embargo, los científicos se han enfrentado a dos desafíos para demostrar sin ambigüedades la inestabilidad de Weibel. En primer lugar, hasta hace poco tiempo, los investigadores no pudieron generar un plasma con una anisotropía de temperatura conocida como la imaginó inicialmente Weibel. En segundo lugar, los investigadores no disponían de una técnica adecuada para medir la topología compleja y en rápida evolución de los campos magnéticos generados posteriormente en el plasma.

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Evolución de los componentes del campo magnético recuperados. Crédito: Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.221171311

Este trabajo, habilitado por la capacidad única de Accelerator Test Facility, una instalación de usuario del Departamento de Energía (DOE) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, empleó una plataforma experimental novedosa que permitió a los investigadores crear un plasma de hidrógeno con distribuciones de velocidad de electrones altamente anisotrópicas conocidas. en una escala de tiempo de decenas de billonésima de segundo mediante el uso de un pulso láser de dióxido de carbono ultracorto pero intenso.

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La posterior termalización del plasma se produce a través de la autoorganización de las corrientes de plasma que producen campos magnéticos impulsados por la inestabilidad de Weibel. Estos campos son lo suficientemente grandes como para desviar electrones relativistas para revelar una imagen de los campos magnéticos a cierta distancia del plasma. Los investigadores obtuvieron una película de la evolución de estos campos magnéticos con una resolución espaciotemporal exquisita mediante el uso de un haz de electrones relativista de un picosegundo para sondear estos campos.

Con información de Academia Nacional de Ciencias

SourceSKYCR.ORG
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Skycr_editorhttps://hdavila.com/
Homer Dávila. Máster en geología. Miembro de la International Meteor Organization. Astronomía, radioastronomía, cosmología y ciencia planetaria.
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