آزمایش هسته‌ای ایالات متحده شبیه به جت‌های عظیم پلاسما پرتاب‌شده توسط سیاهچاله‌ها
محققان تکنیکی جدید ابداع کرده‌اند که می‌تواند جزئیات تغییر شکل و جابجایی پلاسما در فضا را در داخل توکاماک‌ها ثبت کند.
تکنیک اندازه‌گیری جدید از پروتون‌ها استفاده می‌کند و محققان معتقدند که این تکنیک همچنین روشنایی بیشتری بر تشکیل جت‌های عظیم پلاسما که بین ستارگان در جهان کشیده شده‌اند، فراهم کرده است.
در داخل دستگاه همجواری به شکل دونات – که به آن توکاماک نیز گفته می‌شود – پلاسما با میدان‌های مغناطیسی قوی روبرو می‌شود.
آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون در وزارت انرژی ایالات متحده (PPPL) موفق به ایجاد تصاویری دقیق از میدان مغناطیسی که به دلیل فشار ایجاد شده توسط پلاسما انبساطی به بیرون خمیده شده است، گردید.
تماس، جت‌های پلاسما و سیاهچاله‌ها
به گفته محققان PPPL، پلاسما انبساط یافته به ساختارهایی مانند ستون‌ها و قارچ‌ها تبدیل شد. بعلاوه، با کاهش انرژی پلاسما، خطوط میدان مغناطیسی به موقعیت‌های اولیه خود بازگشتند.
«در نتیجه، پلاسما به ساختاری مستقیم فشرده شد که شبیه به جت‌های پلاسمای می‌تواند از ستارگان مرده که به عنوان سیاهچاله‌ها شناخته می‌شوند جریان یابد و به مسافت‌هایی بسیار بیشتری نسبت به اندازه کهکشان برسد»، بیانیه رسمی توسط PPPL می‌گوید.
محققان همچنین بیان می‌کنند که این جت‌ها که بین ستارگان کشیده می‌شوند و علت آنها هنوز یک راز است، می‌توانند توسط همان میدان‌های مغناطیسی فشرده‌ای که در این تحقیق مشاهده شده‌اند، تشکیل شوند.
«وقتی آزمون را انجام دادیم و داده‌ها را تحلیل کردیم، متوجه شدیم که چیز بزرگی داریم» گفت سوفیا مالکو، فیزیکدان تحقیقاتی در PPPL و دانشمند سرپرست در مقاله.
«مشاهده بی‌ثباتی‌های مگنتو-رایلی تیلور که ناشی از تعامل پلاسما و میدان‌های مغناطیسی است، مدت‌ها گمان می‌رفت که رخ می‌دهد اما تا کنون به طور مستقیم مشاهده نشده بود. این مشاهده به تایید این بی‌ثباتی کمک می‌کند که هنگامی که پلاسما انبساط می‌یابد و با میدان‌های مغناطیسی روبرو می‌شود، رخ می‌دهد. ما نمی‌دانستیم که دستگاه‌های تشخیصی ما چنین دقتی خواهند داشت». پ
ویل فاکس، دیگر محقق PPPL و محقق اصلی این تحقیق، اظهار داشت که این آزمون تأثیر اهمیت میدان‌های مغناطیسی برای تشکیل جت‌های پلاسما را ثابت می‌کند.
«حالا که شاید بصیرتی در مورد آنچه باعث تشکیل این جت‌ها می‌شود، داریم، می‌توانیم در تئوری جت‌های بزرگ اخترفیزیکی را مطالعه کرده و چیزی درباره سیاهچاله‌ها یاد بگیریم.»
تکنیک پشت یافته‌های دقیق
برای آزمایش ، تیم تکنیک اندازه‌گیری پروتون رادیوگرافی را با یک واریاسیون جدید برای این آزمون بهبود بخشید تا اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی امکان‌پذیر شود.
محققان یک دیسک کوچک پلاستیکی را با استفاده از لیزرها گرم کردند تا پلاسما ایجاد کنند. برای تولید پروتون‌ها، ۲۰ لیزر را به سمت یک کپسول حاوی سوخت متشکل از انواع اتم‌های هیدروژن و هلیم تاباندند.
هنگامی که سوخت گرم شد، واکنش‌های همجوشی رخ داد و انفجاری از هر دو پروتون‌ها و نور شدید که به عنوان اشعه ایکس شناخته می‌شود، تولید شد.
تیم همچنین یک صفحه توری با سوراخ‌های کوچک در نزدیکی کپسول نصب کردند. هنگامی که پروتون‌ها از طریق توری جریان یافتند، جریان آن به پرتوهایی کوچک و جداگانه که به دلیل میدان‌های مغناطیسی اطراف خمیدند، جدا شد.
با مقایسه تصویر توری تحریف‌شده با تصویر بدون تحریف تولید شده توسط اشعه ایکس، تیم قادر به درک چگونگی جابجایی میدان‌های مغناطیسی توسط پلاسما انبساطی شدند، که منجر به بی‌ثباتی‌های جریانی در لبه‌ها شد.
مالکو گفت: «آنچه مشاهده کردیم شبیه به زمانی است که شیر را در قهوه می‌ریزید. در طول تعامل، ساختارهای زیادی در جایی که میدان‌ها با پلاسما روبرو می‌شوند تشکیل می‌شوند زیرا تفاوت‌های شدیدی در دما، چگالی و قدرت میدان مغناطیسی وجود دارد. این مکان مناسبی برای رشد آنها است.»
«آزمون ما منحصر به فرد بود زیرا ما می‌توانستیم میدان مغناطیسی را مستقیماً در طول زمان مشاهده کنیم» فاکس گفت. «ما می‌توانستیم مستقیما مشاهده کنیم که چگونه میدان به بیرون هل داده شده و به پلاسما در نوعی جنگ کششی واکنش نشان می‌دهد.»
محققان اکنون برنامه دارند بر روی آزمون‌های آینده کار کنند که به بهبود مدل‌های پلاسما انبساط یافته کمک می‌کند.
مالکو بیان کرد: «اکنون که این بی‌ثباتی‌ها را با دقت اندازه‌گیری کرده‌ایم، اطلاعاتی داریم که برای بهبود مدل‌هایمان و احتمالاً شبیه‌سازی و درک جت‌های اخترفیزیکی به میزان بیشتری از قبل نیاز داریم. جالب است که انسان‌ها می‌توانند چیزی در آزمایشگاه بسازند که معمولاً در فضا وجود دارد.»
این مقاله در مجله Physical Review Research منتشر شده است.
چکیده
ما مشاهده مستقیم تجربی از تشکیل یک حفره دیامغناطیسی و بی‌ثباتی مگنتو-رایلی تیلور (MRT) در پلاسما با چگالی انرژی بالا و 𝛽≈1 ارائه می‌دهیم. پروتون رادیوگرافی برای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی دو بعدی در یک پلاسمای تولید شده با لیزر استفاده می‌شود که به طور موازی با یک میدان مغناطیسی از پیش وضع شده پروپاگاند می‌شود. ساختارهای فلوت که با بی‌ثباتی MRT مرتبط هستند، در سطح حفره مشاهده می‌شوند که با طول موج ۱.۲ میلی‌متر و زمان رشد ۴ نانوثانیه اندازه‌گیری می‌شوند. این اندازه‌گیری‌ها با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی‌های مگنتوهیدرودینامیک سه بعدی با استفاده از کد GORGON مطابقت خوبی دارند.
