Le développement de lasers ultra-intense délivrant la même puissance que l'ensemble du réseau électrique américain a permis l'étude de phénomènes cosmiques tels que les supernovae et les trous noirs dans des laboratoires terrestres. Maintenant, une nouvelle méthode développée par des astrophysiciens computationnels de l'Université de Chicago permet aux scientifiques d'analyser une caractéristique clé de ces événements :leurs champs magnétiques puissants et complexes.

Dans le domaine de la physique des hautes densités d'énergie, ou HEDP, les scientifiques étudient un large éventail d'objets astrophysiques :étoiles, des trous noirs supermassifs au centre des galaxies et des amas de galaxies, avec des expériences de laboratoire aussi petites qu'un centime et ne durant que quelques milliardièmes de seconde. En focalisant des lasers puissants sur une cible soigneusement conçue, les chercheurs peuvent produire des plasmas qui reproduisent les conditions observées par les astronomes dans notre soleil et les galaxies lointaines.

La planification de ces expériences complexes et coûteuses nécessite simulation informatique haute fidélité au préalable. Depuis 2012, le Flash Center for Computational Science du Département d'astronomie et d'astrophysique d'UCicago a fourni le principal code informatique ouvert, appelé FLASH, pour ces simulations HEDP, permettant aux chercheurs d'affiner les expériences et de développer des méthodes d'analyse avant exécution sur des sites tels que le National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory ou l'OMEGA Laser Facility de Rochester, NEW YORK.

"Dès que FLASH est devenu disponible, il y avait une sorte de bousculade pour l'utiliser pour concevoir des expériences, " a déclaré Petros Tzeferacos, professeur assistant de recherche en astronomie et astrophysique et directeur associé du Flash Center.

Au cours de ces expériences, les faisceaux des sondes laser peuvent fournir aux chercheurs des informations sur la densité et la température du plasma. Mais une mesure clé, le champ magnétique, est resté insaisissable. Pour essayer de démêler les mesures de champ magnétique dans des conditions de plasma extrêmes, les scientifiques du MIT ont développé une technique de diagnostic expérimentale qui utilise à la place des particules chargées, appelée radiographie protonique.

Dans un nouvel article pour la revue Examen des instruments scientifiques , Les scientifiques du Flash Center Carlo Graziani, Donald Lamb et Tzeferacos, avec Chikang Li du MIT, décrire une nouvelle méthode d'acquisition quantitative, des informations à haute résolution sur ces champs magnétiques. Leur découverte, affiné à l'aide de simulations FLASH et de résultats expérimentaux réels, ouvre de nouvelles portes pour comprendre les phénomènes cosmiques.

"Nous avons choisi de nous lancer dans des expériences motivées par l'astrophysique où les champs magnétiques étaient importants, " dit Agneau, le professeur émérite du service distingué Robert A. Millikan en astronomie et astrophysique et directeur du Flash Center. « La création du code et la nécessité d'essayer de comprendre comment comprendre quels champs magnétiques sont créés nous ont amenés à créer ce logiciel, qui peut pour la première fois reconstruire quantitativement la forme et la force du champ magnétique."

Des expériences qui montent en flèche

En radiographie protonique, des protons énergétiques sont projetés à travers le plasma magnétisé vers un détecteur de l'autre côté. Lorsque les protons traversent le champ magnétique, ils sont détournés de leur chemin, formant un motif complexe sur le détecteur. Ces modèles étaient difficiles à interpréter, et les méthodes précédentes ne pouvaient faire que des déclarations générales sur les propriétés du champ.

"Les champs magnétiques jouent un rôle important dans pratiquement tous les phénomènes astrophysiques. Si vous n'êtes pas en mesure de regarder ce qui se passe, ou les étudier, il vous manque un élément clé de presque tous les objets ou processus astrophysiques qui vous intéressent, " dit Tzeferacos.

En menant des expériences simulées avec des champs magnétiques connus, l'équipe du Flash Center a construit un algorithme qui peut reconstruire le champ à partir du modèle radiographique du proton. Une fois calibré informatiquement, la méthode a été appliquée à des données expérimentales recueillies dans des installations laser, révélant de nouvelles connaissances sur les événements astrophysiques.

La combinaison du code FLASH, le développement du diagnostic par radiographie protonique, et la capacité de reconstituer les champs magnétiques à partir des données expérimentales, révolutionnent l'astrophysique des plasmas en laboratoire et l'HEDP. "La disponibilité de ces outils a fait monter en flèche le nombre d'expériences HEDP qui étudient les champs magnétiques, " dit Agneau.

Le nouveau logiciel de reconstruction de champ magnétique, appelé PRaLine, sera partagé avec la communauté à la fois dans le cadre de la prochaine version du code FLASH et en tant que composant séparé disponible sur GitHub. Lamb et Tzeferacos ont déclaré qu'ils s'attendent à ce qu'il soit utilisé pour étudier de nombreux sujets d'astrophysique, comme l'annihilation des champs magnétiques dans la couronne solaire; jets astrophysiques produits par de jeunes objets stellaires, le pulsar de la nébuleuse du Crabe, et les trous noirs supermassifs au centre des galaxies; et l'amplification des champs magnétiques et l'accélération des rayons cosmiques par des chocs dans les restes de supernova.

« Les types d'expériences que les scientifiques de HEDP réalisent actuellement sont très divers, " a déclaré Tzeferacos. " FLASH a contribué à cette diversité, car il permet de sortir des sentiers battus, essayer différentes simulations de différentes configurations, et voyez quelles conditions de plasma vous êtes capable d'atteindre."

Le papier, "Déduire la morphologie et la force des champs magnétiques à partir des radiographies de protons, " a été publié en ligne par Examen des instruments scientifiques .