罗切斯特大学 激光能量学实验室实验目标的特写，由两个箔片和一对网格组成，由圆柱形屏蔽罩固定在一起
每个目标大约有一便士那么大
研究人员设计并加工了靶，使其在实验室环境中产生前所未有的湍流等离子体
荣誉:罗切斯特大学照片/尤金·科瓦鲁克 宇宙充满了磁场
了解磁场是如何在等离子体中产生和放大的，对于研究宇宙中的大结构是如何形成的以及能量是如何在整个宇宙中分配的至关重要
由罗切斯特大学、牛津大学和芝加哥大学的研究人员共同领导的一项国际合作进行了实验，首次在实验室环境中捕捉到了湍流动力运动产生磁场的时间历史，这是一种被认为是产生和维持天体物理磁场的物理机制
这些实验获得了与宇宙中大多数等离子体相关的条件，并量化了湍流发电机放大磁场的速率，这一特性以前只能从理论预测和数值模拟中获得
他们发现的快速放大超出了理论预期，并可能有助于解释目前在星系团中观察到的大规模磁场的起源
他们的结果发表在3月8日的《国家科学院院刊》上
研究人员是湍流发电机团队的一员，他们在罗彻斯特大学激光能量学实验室(LLE)的欧米茄激光设施进行了实验研究，之前他们在那里实验性地证明了湍流发电机机制的存在
这一突破为该团队赢得了美国物理学会颁发的2019年约翰·道森等离子体物理研究优秀奖
实验平台的三维辐射磁流体闪光模拟
视频显示了磁场随时间的变化，网格和圆柱形屏蔽以蓝色和红色显示
激光烧蚀产生两个逆流，这两个逆流穿过栅格并在中心碰撞，形成一个热湍流区，湍流发电机可以在此运行
来自激光靶相互作用的种子磁场到达中心，湍流发电机将它们放大到很强的值
学分:罗切斯特大学/激光能量学实验室 在欧米茄激光设施的最新实验中，研究人员使用了总功率相当于10000个核反应堆的激光束
他们能够实现与团簇内介质的热的、扩散的等离子体相关的条件，在团簇内介质中湍流发电机机制被认为在运行
研究小组随后测量了这种机制产生的磁场放大随时间的变化
“了解磁场在天体物理湍流的宏观尺度上是如何放大的以及以何种速率放大的，对于解释宇宙中最大的结构——星系团中的磁场至关重要，”普林斯顿大学天体物理科学系博士后研究员、该研究的主要作者阿奇·博特说
“虽然数值模型和理论预测，与湍流运动相比，湍流发电机在非常小的尺度上放大得很快，但这种机制的运行速度是否足以解释最大尺度上的动态显著场，仍不确定
" 天体物理学发电机机制的核心是湍流
原始磁场产生的强度远远小于今天在星系团中看到的强度
然而，随机等离子体运动可以拾取这些微弱的“种子”场，并通过场的拉伸、扭曲和折叠将它们的强度放大到明显更大的值
这种放大发生的速率，即“增长率”，因湍流等离子体运动的不同空间尺度而不同:理论和模拟预测，在较小的长度尺度上，增长率较大，但在可与最大湍流运动相比的长度尺度上，增长率要小得多
TDYNO实验表明，情况可能并非如此:湍流发电机——当在现实等离子体中运行时——可以比理论家目前预期的更快地产生大规模磁场
“半个多世纪以来，我们对湍流发电机工作原理的理论理解一直在不断发展，”牛津大学物理系的物理学教授、该项目的实验带头人吉安卢卡·格里高利说
“我们最近的TDYNO激光驱动实验首次能够解决湍流发电机如何随时间演变的问题，使我们能够通过实验测量其实际增长率
" 一部合成电影，展示了用来描述欧米茄激光设备中湍流发电机演变的实验数据的时间流逝
上图显示了湍流相互作用区域的x光图像，左下图显示了质子射线照片，该照片显示了由湍流发电机产生的随机磁场结构，右下图显示了从质子射线照片重建的磁场强度，这使得研究人员能够第一次通过实验测量磁场的增长率
学分:罗切斯特大学/激光能量学实验室 这些实验是TDYNO团队为回答湍流发电机文献中争论的关键问题而共同努力的一部分，建立了实验室实验作为湍流磁化等离子体研究的一个组成部分
该合作建立了一个创新的实验平台，结合欧米茄激光的能量，使团队能够探测与各种天体物理系统相关的不同等离子体状态
这些实验是使用用FLASH代码进行的数值模拟设计的，FLASH代码是一种公开可用的模拟代码，可以精确地模拟实验室等离子体的激光驱动实验
Flash是由计算科学FLASH中心开发的，该中心最近从芝加哥大学搬到了罗切斯特大学
罗彻斯特大学物理与天文学系副教授、LLE大学高级科学家彼得罗斯·泽费拉斯(Petros Tzeferacos)是该项目的模拟带头人，他说:“利用闪光灯进行高保真、预测性建模的能力，以及LLE欧米茄激光设备的先进诊断能力，使我们的团队处于一个独特的地位，可以决定性地推进我们对宇宙磁场如何形成的理解。”
泽菲拉科斯也是罗切斯特闪电中心的主任
“这项工作开辟了一条由磁化湍流介导的各种天体物理过程的实验室研究之路，”罗伯特·阿·兰姆补充道
芝加哥大学天文学和天体物理学荣誉退休教授，TDYNO国家激光用户设施项目首席研究员
“看到这个团队的独创性所带来的科学成果确实令人兴奋
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