Ulusal Ateşleme Tesisinde bir teknisyen çalışmaktadır. Bilim adamları, devasa galaksi kümelerinin içindeki sıcak gaza benzer koşullar yaratmak için 196 lazer dizisini kullandılar.
Deneyler, kümeleri sıcak tutan gizemi çözmenin yolunu gösteriyor.
Galaksiler nadiren yalnız yaşarlar. Bunun yerine, düzinelerce ila binlerce, yerçekimi tarafından bir araya getirilerek, evrendeki en büyük nesneler olan geniş kümeler oluşturulur.
Prof. Emeritus Don Lamb, “Galaksi kümeleri evrendeki en hayranlık uyandıran şeylerden biridir” dedi. Chicago Üniversitesi astrofizikçi ve dergide yayınlanan yeni bir makalenin ortak yazarı Bilim 9 Mart 2022 – onlarca yıldır devam eden bir gizemi çözmenin yolunu gösterebilecek bir tarih.
Bilim adamları, uzun zamandır galaksi kümelerindeki hidrojen gazının yakıcı derecede sıcak olduğunu – yaklaşık 10 milyon derece Kelvin veya kabaca güneşin merkeziyle aynı sıcaklıkta – ki bu hidrojen atomlarının var olamayacağı kadar sıcak olduğunu biliyorlardı. Bunun yerine gaz bir plazma proton ve elektronlardan oluşur.
Deney, lazerleri bir kuruş büyüklüğünde bir hedefe odakladı. Kredi: Ulusal Ateşleme Tesisi Operasyonları ekibinin izniyle
Ancak bir bilmece devam ediyor: Gazın neden veya nasıl bu kadar sıcak kaldığına dair basit bir açıklama yok. Normal fizik kurallarına göre evrenin yaşı içinde soğuması gerekirdi. Ama olmadı.
Bu bulmacayı çözmeye çalışan herkes için zorluk, arka bahçenizde bu tür güçlü sıcak ve manyetik koşulları tam olarak yaratamamanızdır.
Ancak, artık Dünya’da yapabileceğiniz tek bir yer var: dünyanın en enerjik lazer tesisi. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Ateşleme Tesisi, bir kuruş büyüklüğündeki bir hacimde yalnızca saniyenin küçük bir kısmı için olsa da, bu tür aşırı koşullar yaratabilir.
UChicago’dan bilim adamları, Oxford Üniversitesive Rochester Üniversitesi, devasa gökada kümelerindeki sıcak gaza benzer koşullar yaratmak için Livermore, California’da bulunan Ulusal Ateşleme Tesisini kullanmak için birlikte çalıştı. Makalenin ilk yazarı olan Jena Meinecke, “NIF’de yürütülen deneyler kelimenin tam anlamıyla bu dünyanın dışında” dedi.
Bilim adamları, 196 lazeri tek bir küçük hedefe odakladılar ve saniyenin birkaç milyarda biri kadar var olan yoğun manyetik alanlara sahip beyaz-sıcak bir plazma yarattılar.
Bu, plazmada tek tip bir sıcaklık yerine sıcak ve soğuk noktalar olduğunu belirlemeleri için yeterince uzundu.
Bu, galaksi kümelerinin içinde ısının nasıl tutulduğuna dair önerilen teorilerden biriyle örtüşüyor. Normalde, elektronlar birbirleriyle çarpıştıkça ısı kolayca dağılırdı. Ancak plazmanın içindeki karışık manyetik alanlar, bu elektronları etkileyerek manyetik alanların yönü boyunca sarmal oluşturmalarına neden olabilir; bu da onların enerjilerini eşit bir şekilde dağıtmalarını ve dağıtmalarını engelleyebilir.
Aslında deneyde, enerji iletiminin 100’den fazla faktör tarafından bastırıldığını gördüler.
Abell 1689 olarak bilinen devasa bir gökada kümesinin Hubble Uzay Teleskobu görüntüsü. Bilim adamları, bu tür kümelerin içindeki gazın nasıl bu kadar yakıcı derecede sıcak kaldığını tam olarak anlamıyorlar. Kredi: Görüntü NASA, ESA, Hubble Miras Ekibi – STScI/AURA’nın izniyle; J. Blakeslee – NRC Herzberg Astrofizik Programı, Dominion Astrofizik Gözlemevi; ve H. Ford – JHU
Robert A. Millikan Astronomi ve Astrofizik Fahri Hizmet Profesörü Lamb, “Bu inanılmaz derecede heyecan verici bir sonuç çünkü astrofizikçilerin önerdiği şeylerin doğru yolda olduğunu gösterebildik” dedi.
Karmaşık deneyin bilgisayar simülasyonlarını denetleyen Rochester Üniversitesi’nden ortak yazar Prof. Petros Tzeferacos, “Bu gerçekten şaşırtıcı bir sonuç,” diye ekledi. “Simülasyonlar, çalkantılı, manyetize plazmada oyunda olan fiziği çözmenin anahtarıydı, ancak termal taşıma bastırma seviyesi beklediğimizin ötesindeydi.”
Simülasyonlar, Chicago Üniversitesi’nde geliştirilen ve şu anda Tzeferacos tarafından yönetilen Rochester Üniversitesi’nin Flash Hesaplamalı Bilim Merkezi’nde barındırılan FLASH kodu adı verilen bir bilgisayar koduyla yapıldı. Kod, bilim adamlarının lazer deneylerini yapmadan önce mükemmel ayrıntılarla simüle etmelerini sağlar, böylece aradıkları sonuçlara ulaşabilirler.
Deneyin bilgisayar simülasyonları, hedefin etrafında oluşan sıcak ve soğuk noktaları (renkle gösterilen) gösterdi. Kredi: Resim, Rochester Üniversitesi’nden Yingchao Lu’nun izniyle
Bu çok önemlidir, çünkü bilim adamları tesiste yalnızca birkaç değerli çekim yapar – bir şeyler ters giderse tekrarlama yoktur. Ve deney koşulları sadece nanosaniyeler sürdüğü için, bilim adamlarının ihtiyaç duydukları ölçümleri tam olarak doğru zamanda yaptıklarından emin olmaları gerekiyor. Bu, her şeyin çok önceden tam olarak planlanması gerektiği anlamına gelir.
Lamb, “Yapılabileceklerin en uç noktasında olduğunuzda bu bir meydan okumadır, ancak sınır orasıdır” dedi.
Bununla birlikte, galaksi kümelerinin fiziği hakkında daha fazla soru var. Sıcak ve soğuk noktalar, manyetik alanların galaksi kümelerindeki sıcak gazın soğuması üzerindeki etkisine dair sağlam kanıtlar olsa da, tam olarak ne olduğunu anlamak için daha fazla deney yapılması gerekiyor. Grup, bu yıl içinde NIF’de bir sonraki deney turunu planlıyor.
Ancak şimdilik, galaksi kümelerindeki gazın milyarlarca yıl sonra bile neden hala sıcak olduğuna ışık tutmaktan mutlular.
Lamb, “Evrenin şaşırtıcı şeylerle dolu olduğunu hatırlatıyor” dedi.
Referans: Jena Meinecke, Petros Tzeferacos, James S. Ross, Archie FA Bott, Scott Feister, Hye-Sook Park, Anthony R. Bell, Roger Blandford tarafından yazılan “Galakada-kümesi türbülanslı plazmalarının bir laboratuvar kopyasında ısı iletiminin güçlü bir şekilde bastırılması” , Richard L. Berger, Robert Bingham, Alexis Casner, Laura E. Chen, John Foster, Dustin H. Froula, Clement Goyon, Daniel Kalantar, Michel Koenig, Brandon Lahmann, Chikang Li, Yingchao Lu, Charlotte AJ Palmer, Richard D. Petrasso, Hannah Poole, Bruce Remington, Brian Reville, Adam Reyes, Alexandra Rigby, Dongsu Ryu, George Swadling, Alex Zylstra, Francesco Miniati, Subir Sarkar, Alexander A. Schekochihin, Donald Q. Lamb ve Gianluca Gregori, 9 Mart 2022, Bilim.
DOI: 10.1126/sciadv.abj6799
Deneyin baş araştırmacısı Oxford Üniversitesi’nden Prof. Gianluca Gregori idi. Ekip üyeleri arasında Oxford’dan Prof. Alexander Schekochihin, Princeton’dan Archie Bott ve Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndan James Steven Ross da vardı.
Finansman: ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi, ABD Enerji Bakanlığı, Ulusal Bilim Vakfı, Avrupa Araştırma Konseyi, Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi.