Неустойчивость Вейбеля преобразовует энергию температурной анизотропии плазмы в энергию магнитного поля
Недавние исследования показывают, что магнитные поля могут спонтанно возникать в плазме. Это может произойти, если плазма имеет температурную анизотропию — температуру, различную в разных пространственных направлениях. Это было предсказано теоретиком плазмы Эриком Вейбелем более шести десятилетий назад (неустойчивость Вейбеля), но только сейчас однозначно наблюдалось в лаборатории. Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что этот процесс может преобразовывать значительную часть энергии, хранящейся в температурной анизотропии, в энергию магнитного поля. Также обнаружено, что нестабильность Вейбеля может быть источником магнитных полей, которые пронизывают весь космос.
Экспериментальная установка и репрезентативные снимки самогенерируемых магнитных полей Вейбеля.
(A) Эскиз экспериментального макета.
(B) Репрезентативные кадры из фильма об отклонении электронного пучка полями в плазме. На первом кадре показан профиль электронного луча без лазера. На следующих кадрах показана эволюция самогенерируемых полей в плазме. Желтый пунктирный эллипс на кадре 0 пс очерчивает расчетный контур интенсивности 10 14 Вт/см 2 (порог ионизации) CO 2 лазер. Пунктирные белые линии на кадрах 3,3 пс и 116,7 пс добавлены, чтобы выделить ориентацию выбранных полос плотности. На кадре 36,7 пс белыми стрелками отмечены структуры, вызванные пересечением траекторий электронов зонда, которые смещают эффективную плоскость объекта ближе к плазме. Все изображения были повернуты против часовой стрелки на 12°, чтобы скорректировать наклон, вызванный PMQ, и расположить более длинное измерение эллиптической плазмы параллельно направлению распространения лазера.
Предоставлено: Труды Национальной академии наук (2023 г.). DOI: 10.1073/pnas.221171311.
Плазма — это вещество, настолько горячее, что электроны отделяются от атомов. Электроны свободно плавают, а атомы становятся ионами. Это создает ионизированный газ — плазму, из которой состоит почти вся видимая Вселенная. Недавние исследования показывают, что магнитные поля могут спонтанно возникать в плазме. Это может произойти, если плазма имеет температурную анизотропию — температуру, различную в разных пространственных направлениях.
Этот механизм известен как неустойчивость Вейбеля. Это было предсказано теоретиком плазмы Эриком Вейбелем более шести десятилетий назад, но только сейчас однозначно наблюдалось в лаборатории. Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что этот процесс может преобразовывать значительную часть энергии, хранящейся в температурной анизотропии, в энергию магнитного поля. Также обнаружено, что нестабильность Вейбеля может быть источником магнитных полей, которые пронизывают весь космос.
Вещество в нашей наблюдаемой Вселенной находится в плазменном состоянии и намагничено. Магнитные поля на уровне микрогаусс (около миллионной части магнитных полей Земли) пронизывают галактики. Считается, что эти магнитные поля усиливаются слабыми затравочными полями за счет спирального движения галактик, известного как галактическое динамо. Как создаются исходные магнитные поля, это давний вопрос в астрофизике.
Эволюция измеренной группировки электронного зонда.
Предоставлено: Труды Национальной академии наук (2023 г.). DOI: 10.1073/pnas.221171311
Эта новая работа предлагает возможное решение этой неприятной проблемы происхождения затравочных магнитных полей микрогауссового уровня. В исследовании использовалась новая платформа, обладающая большим потенциалом для изучения сверхбыстрой динамики магнитных полей в лабораторной плазме, которая имеет отношение к астрономической физике и физике высокой плотности энергии.
Впервые теоретизированная шесть десятилетий назад, неустойчивость Вейбеля, вызванная температурной анизотропией, считается важным механизмом самонамагничивания многих лабораторных и астрофизических плазм. Однако ученые столкнулись с двумя проблемами при однозначной демонстрации неустойчивости Вейбеля. Во-первых, до недавнего времени исследователи не могли генерировать плазму с известной температурной анизотропией, как первоначально предполагал Вейбель. Во-вторых, у исследователей не было подходящей техники для измерения сложной и быстро развивающейся топологии магнитных полей, впоследствии генерируемых в плазме.
Эта работа стала возможной благодаря уникальным возможностям Ускорительного испытательного комплекса, пользовательского объекта Министерства энергетики (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории, в котором использовалась новая экспериментальная платформа, что позволило исследователям создать водородную плазму с известным сильно анизотропным распределением скоростей электронов в десятки триллионных долей секунды с помощью сверхкоротких, но интенсивных лазерных импульсов на углекислом газе.
Эволюция восстановленных компонент магнитного поля.
Предоставлено: Труды Национальной академии наук (2023 г.). DOI: 10.1073/pnas.221171311
Последующая термализация плазмы происходит за счет самоорганизации плазменных токов, создающих магнитные поля, обусловленные неустойчивостью Вейбеля. Эти поля достаточно велики, чтобы отклонить релятивистские электроны и показать изображение магнитных полей на определенном расстоянии от плазмы. Исследователи получили фильм об эволюции этих магнитных полей с превосходным пространственно-временным разрешением, используя релятивистский электронный пучок в течение одной пикосекунды для исследования этих полей.
