計算天體物理學團隊解開宇宙事件的磁場

【博科園-科學科普】超強激光的發展與整個美國電網的能量相同，這使得研究地球上的實驗室中的超新星和黑洞等宇宙現象成為可能。現在，芝加哥大學的計算天體物理學家開發的一種新方法使科學家能夠分析這些事件的一個關鍵特徵——強大而複雜的磁場。

在高能密度物理學(HEDP)領域，科學家們研究了各種各樣的天體物理物體——恆星、星系中心的超大質量黑洞和星系群——實驗室的實驗小到一美分，只持續幾十億分之一秒。通過將強大的激光聚焦在一個精心設計的目標上，研究人員可以產生等離子體，重現天文學家在我們的太陽和遙遠星系中觀察到的情況。

策劃這些複雜而昂貴的實驗需要事先進行大規模的、高保真的計算機模擬。自2012年以來,閃電系的計算科學中心在UChicago天文學與天體物理學提供了領先的開放的計算機代碼，稱為Flash,對於這些HEDP模擬,使研究人員能夠調整實驗和開發分析方法在執行國家點火裝置等網站在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室或ω激光設備在羅切斯特。

研究助理教授天體物理學研究助理教授、FLASH中心副主任Petros Tzeferacos說：一旦有了FLASH，就會有一種爭先恐後的使用它來設計實驗。在這些實驗中，激光束可以為研究人員提供關於等離子體密度和溫度的信息。但是一個關鍵的測量，磁場，仍然是難以捉摸的。為了嘗試從極端的等離子體環境中提取磁場測量，麻省理工學院的科學家們開發了一種實驗診斷技術，該技術使用帶電粒子來代替，稱為質子射線照相。

在一篇發表於《科學儀器》期刊的新論文中，來自麻省理工學院的Chikang Li的研究人員，在研究中發現了一種新的方法來獲取關於這些磁場的定量的高解析度信息。他們的發現，通過快速模擬和真實的實驗結果，為理解宇宙現象打開了新的大門。

計算天體物理學家描述了一種利用激光束來重現宇宙環境的實驗信息的新方法。圖片版權：Lawrence Livermore National Laboratory

選擇的實驗是由天體物理學所激發的磁場是非常重要的，代碼的創建加上需要試圖弄清楚如何理解磁場的產生，這使得我們構建了這個軟體，這是第一次定量地重建磁場的形狀和強度。

在質子射線攝影中，高能質子通過磁化等離子體向另一側的探測器發射。當質子穿過磁場時，它們會偏離軌道，在探測器上形成一個複雜的圖案。這些模式很難解釋，以前的方法只能對該欄位的屬性進行一般性的說明。在幾乎所有的天體物理現象中，磁場起著重要的作用。如果你不能真正地觀察正在發生的事情，或者研究它們，你就會錯過幾乎所有你感興趣的天體物理對象或過程中的一個關鍵部分。

通過對已知磁場的模擬實驗，閃電中心團隊構建了一種能夠從質子射線圖模式重建能量場的演算法。該方法一旦在計算上進行了校準，就應用於激光設備採集的實驗數據，揭示了關於天體物理事件的新見解。閃電密碼的結合，質子射線診斷的發展，以及從實驗數據中重建磁場的能力，正在革新實驗室的等離子體物理學和HEDP。蘭姆說:「這些工具的可用性已經導致了研究磁場的HEDP實驗的數量。

這款名為PRaLine的磁場重建軟體將與社區共享，作為下一個FLASH代碼發布的一部分，作為GitHub上的獨立組件。蘭姆和Tzeferacos說，他們希望它被用於研究許多天體物理學的話題，比如在日冕中的磁場的湮滅;由年輕的恆星天體、蟹狀星雲脈衝星和星系中心的超大質量黑洞產生的天體物理射流;在超新星遺迹的衝擊下，磁場的放大和宇宙射線的加速。

HEDP科學家現在所做的實驗類型非常多樣化。FLASH促成了這種多樣性，因為它使你能夠跳出固有思維模式，嘗試不同配置的不同模擬，看看你能達到什麼樣的等離子體條件。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：科學儀器評論

內容：「博科園」判定符合今主流科學

來自：芝加哥大學

編譯：中子星

審校：博科園

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