Vätgas i galaxhopar når temperaturer nära 10 miljoner Kelvin, alldeles för hett för att väteatomer ska kunna hålla ihop; istället blir vätgasen en het, turbulent och magnetisk plasma av protoner och elektroner.
Att närstudera plasman är omöjligt, på grund av avståndet. Men ett av världens största laser-laboratorier, amerikanska National Ignition Facility (NIF) vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien, kan skapa liknande förhållanden här på jorden – under bråkdelen av en sekund.
För varje experiment, eller “shot”, använder NIF 192 laserstrålar som förstärks i många steg av avancerad optisk utrustning, och sedan möts i samma punkt. Plasman uppstår där laserstrålarna möts, och är väldigt kortlivad. Det innebär att alla mätningar måste vara extremt snabba.
Det är en process i många steg. En svag ultrakort laserpuls får gå genom optiska fibrer till 48 avancerade förstärkare som i flera steg ökar pulsens energi tio miljarder gånger, till ungefär 10 Joule, och samtidigt korrigerar strålarna så att de är skräddarsydda för det specifika experiment som genomförs. Sedan delas varje stråle i fyra, till totalt 192 laserstrålar. Passagen genom glas och fiber ger störningar, som kompenseras med speciella speglar med flyttbara, motorstyrda element. Alla de 192 laserstrålarna måste landa samtidigt, inom tio pikosekunder (en hundradels nanosekund), och mindre än 50 mikrometer från varandra. Det kräver omänsklig precision, så ett datorsystem med över 2000 datorer koordinerar det hela, inklusive alla mätningar.
NIF har en kapacitet på upp till 400 “shots” per år. Varje försök kräver extremt noggrann planering, och väldigt snabba och exakta mätningar. Därför används multifysik-simuleringar för att planera varje försök i detalj innan det sker i verkligheten.
Mycket är okänt om hur plasma beter sig, och en av de obesvarade frågorna är varför plasman i galaxhopar svalnar så mycket långsammare än vad existerande teorier förutsagt. Forskargrupper från University of Chicago, University of Oxford, och University of Rochester samarbetade nyligen i ett experiment som använde NIF för att undersökta temperaturöverföring i plasma.
De upptäckte att plasmans hade hetare och svalare fläckar, och att temperaturöverföringen mellan dem gick hundra gånger långsammare än väntat. Det stämmer med en av teorierna, som föreslår att elektroner i plasman krockar mindre ofta än väntat – det vill säga tappar energi mycket långsammare än väntat – eftersom de följer lokala magnetfält i plasman.
Studien publicerades i Science Advances den 9 mars.
Läs artikeln: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj6799
Läs mer om NIF: https://lasers.llnl.gov/about/how-nif-works
Bonuslänk: Läs mer om supernovaforskning på NIF (engelska): https://www.sciencenews.org/article/supernova-star-death-giant-lasers-explosive-mysterious-physics
