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| Izquierda: Foto del blanco TDYNO desplegado en la National Ignition Facility a través del programa Discovery Science. El blanco experimental está formado por dos láminas y un par de rejillas, mantenidas juntas por escudos cilíndricos. Cada objetivo tiene el tamaño aproximado de un céntimo. Foto: Equipo de operaciones de la National Ignition Facility. Derecha: Imagen de rayos X del plasma turbulento generado en los experimentos, tomada a las 28 mil millonésimas de segundo después del disparo de los láseres. El plasma caliente emite rayos X blandos, lo que permite a los investigadores caracterizar las propiedades del flujo turbulento y medir las fluctuaciones de la temperatura de los electrones que revelan la fuerte supresión del transporte de calor. Crédito: Equipo de operaciones de la National Ignition Facility |
El funcionamiento interno de la conducción del calor en los cúmulos de galaxias ha sido desvelado por una colaboración de investigadores internacionales dirigida por la Universidad de Oxford, la Universidad de Rochester y la Universidad de Chicago.
La mayor parte de la materia de los cúmulos de galaxias se encuentra en forma de un tenue gas ionizado llamado plasma que está enhebrado por campos magnéticos y se encuentra en estado turbulento; al observar muchos de estos cúmulos de galaxias, los astrónomos se han enfrentado a un difícil enigma: todos ellos parecen mucho más calientes de lo esperado.
La autora del artículo, la Dra. Jena Meinecke, y el equipo de investigación utilizaron el mayor sistema láser del mundo -la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), en California- para crear una réplica de las condiciones de plasma que se esperan en los cúmulos de galaxias.
El coautor, el profesor Alexander Schekochihin, del Departamento de Física de la Universidad de Oxford, afirma que "cómo se inyecta la energía en el plasma que llena los cúmulos de galaxias por parte de las galaxias violentamente activas que se encuentran en sus centros, cómo se esparce entonces y calienta todo el enorme sistema, produciendo el brillo de los rayos X que observatorios como el Observatorio de Rayos X Chandra captan, son cuestiones fundamentales sobre los mayores bloques de construcción de nuestro Universo. Tanto las observaciones como la lógica de nuestros modelos teóricos sugieren que la conducción del calor en estos plasmas está fuertemente suprimida en comparación con las expectativas ingenuas. Se han teorizado y simulado numéricamente varios esquemas para dicha supresión, pero de forma muy tentativa."
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| Simulaciones FLASH de la plataforma TDYNO con la conductividad térmica de Spitzer activada (izquierda) y desactivada (derecha), mostrando la temperatura de los electrones en electronvoltios, eV (1 eV corresponde a 11.333 oC o 20.431 oF). La fuerte magnetización del plasma conseguida en los experimentos NIF TDYNO da lugar a una importante supresión de la conducción térmica, que a su vez da lugar a importantes fluctuaciones en la temperatura de los electrones (derecha), que se reproducen en la simulación FLASH. Crédito: Yingchao Lu, Universidad de Rochester. |
"Aquí, de repente, lo tenemos en un plasma real de laboratorio, por lo que el experimento tiene ahora la oportunidad de adelantarse a la teoría para ayudar a resolver las propiedades básicas de un plasma astrofísico, una perspectiva emocionante".
El Dr. Meinecke, que estuvo en la Universidad de Oxford durante la investigación y ahora está en la Universidad Estatal de Boise, continuó: "Los experimentos llevados a cabo en el NIF son, literalmente, de otro mundo. Capaz de llevar la poderosa dinámica del Universo al laboratorio, el NIF ofrece realmente oportunidades para adentrarse en lo desconocido."
Los investigadores utilizaron rayos láser para vaporizar láminas de plástico y generar un plasma turbulento y magnetizado en los experimentos del NIF.
El Dr. Archie Bott, del Departamento de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton, afirma que "lo que es único en estos experimentos del NIF es que los electrones del plasma chocan entre sí con una frecuencia suficientemente baja como para acabar siguiendo las líneas del campo magnético enmarañado."
"Este fenómeno, que es precisamente lo que se cree que ocurre en los cúmulos de galaxias, da lugar a la supresión de la conducción de calor", dijo el Dr. Bott
Este efecto se ve claramente en los datos de laboratorio: las mediciones muestran bolsas de plasma caliente que persisten en el tiempo y el calor no puede escapar.
El investigador principal de los experimentos, el profesor Gianluca Gregori, del Departamento de Física de la Universidad de Oxford, afirma que "este trabajo es un paso importante para comprender los procesos microscópicos que tienen lugar en los plasmas magnetizados y turbulentos. Los hallazgos experimentales son un tanto sorprendentes, ya que demuestran que la energía se transporta de formas muy diferentes a las que habríamos esperado a partir de simples teorías."
"Se trata, en efecto, de un resultado sorprendente", confirma el profesor Petros Tzeferacos, director del Centro Flash de Ciencia Computacional, que dirigió los esfuerzos de simulación para diseñar y ayudar a interpretar la campaña experimental del NIF.
"Para modelar los experimentos del NIF, pusimos en práctica toda la gama de capacidades físicas de FLASH, el código de simulación multifísica que desarrollamos. Las simulaciones de FLASH fueron clave para desentrañar la física en juego en el plasma turbulento y magnetizado, pero el nivel de supresión del transporte térmico fue más allá de lo que esperábamos".
Aunque las simulaciones reproducen los resultados experimentales mediante el control del transporte térmico de electrones, el mecanismo microscópico responsable en última instancia de la supresión observada sigue sin estar claro.
Se están realizando preparativos para seguir trabajando con el láser del NIF para examinar los detalles de estas interacciones.
"Estos experimentos proporcionan una visión de los procesos físicos complejos y también plantean preguntas adicionales que esperamos responder en los próximos experimentos de NIF Discovery Science con un diseño de objetivo optimizado y una configuración de diagnóstico", dijo el Dr. James Steven Ross, científico de enlace del proyecto en el LLNL.
Estos experimentos demuestran cómo las exploraciones de laboratorio pueden ayudar a la comprensión de los sistemas astrofísicos de forma complementaria a las observaciones".
La investigación se publicó en Science Advances.
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