Plazma to materia, która jest tak gorąca, że ​​elektrony oddzielają się od atomów. Elektrony poruszają się swobodnie, a atomy stają się jonami. To tworzy zjonizowany gaz – plazmę – który tworzy prawie cały widzialny wszechświat. Ostatnie badania pokazują, że pola magnetyczne mogą spontanicznie pojawiać się w plazmie. Może się to zdarzyć, jeśli plazma ma anizotropię temperatury — temperaturę, która jest różna w różnych kierunkach przestrzennych.

Mechanizm ten jest znany jako niestabilność Weibela. Zostało to przewidziane przez teoretyka plazmy, Erica Weibela, ponad sześćdziesiąt lat temu, ale dopiero teraz zostało jednoznacznie zaobserwowane w laboratorium. Nowe badania, obecnie opublikowane w Obrady Narodowej Akademii Naukstwierdzili, że proces ten może przekształcić znaczną część energii zmagazynowanej w anizotropii temperatury w energię pola magnetycznego. Stwierdzono również, że niestabilność Weibela może być źródłem pól magnetycznych, które przenikają przez kosmos.

Materia w naszym obserwowalnym wszechświecie jest w stanie plazmy i jest namagnesowana. Pola magnetyczne na poziomie mikrogaussów (około jednej milionowej pola magnetycznego Ziemi) przenikają galaktyki. Uważa się, że te pola magnetyczne są wzmacniane przez słabe pola zarodkowe przez spiralny ruch galaktyk, znany jako galaktyczne dynamo. To, w jaki sposób powstają pola magnetyczne nasion, jest od dawna pytaniem w astrofizyce.

Ta nowa praca oferuje możliwe rozwiązanie tego dokuczliwego problemu pochodzenia pól magnetycznych ziarna na poziomie mikrogaussów. W badaniach wykorzystano nowatorską platformę, która ma ogromny potencjał do badania ultraszybkiej dynamiki pól magnetycznych w plazmie laboratoryjnej, która ma znaczenie dla fizyki astrofizyki i fizyki wysokich gęstości energii.

Uważa się, że niestabilność Weibela spowodowana anizotropią temperatury, po raz pierwszy wysunięta sześćdziesiąt lat temu, jest ważnym mechanizmem samomagnesowania wielu laboratoryjnych i astrofizycznych plazm. Jednak naukowcy stanęli przed dwoma wyzwaniami, aby jednoznacznie wykazać niestabilność Weibela. Po pierwsze, do niedawna naukowcy nie byli w stanie wygenerować plazmy o znanej anizotropii temperatury, jak początkowo przewidywał Weibel. Po drugie, badacze nie dysponowali odpowiednią techniką pomiaru złożonej i szybko zmieniającej się topologii pól magnetycznych generowanych następnie w plazmie.

Ta praca, możliwa dzięki unikalnym możliwościom Accelerator Test Facility, placówki użytkownika Departamentu Energii (DOE) w Brookhaven National Laboratory, wykorzystała nowatorską platformę eksperymentalną, która pozwoliła naukowcom stworzyć plazmę wodorową o znanym wysoce anizotropowym rozkładzie prędkości elektronów w dziesiątkach trylionowych sekundy skali czasu za pomocą ultrakrótkiego, ale intensywnego impulsu laserowego dwutlenku węgla.

Późniejsza termalizacja plazmy zachodzi poprzez samoorganizację prądów plazmy, która wytwarza pola magnetyczne napędzane niestabilnością Weibela. Pola te są wystarczająco duże, aby odchylić relatywistyczne elektrony, aby odsłonić obraz pól magnetycznych w pewnej odległości od plazmy. Naukowcy uzyskali film przedstawiający ewolucję tych pól magnetycznych z wyjątkową rozdzielczością czasoprzestrzenną, wykorzystując relatywistyczną wiązkę elektronów o długości jednego pikosekundy do zbadania tych pól.