محققان عملکرد درونی رسانش گرما در خوشه‌های کهکشانی را کشف کردند!!

سمت چپ: عکس هدف TDYNO که توسط برنامه Discovery Science در مرکز احتراق ملی مستقر شده است. هدف آزمایشی شامل دو فویل و یک جفت شبکه است که توسط سپرهای استوانه‌ای در کنار هم نگه داشته می‌شوند. هر هدف تقریباً به اندازه یک پنی است. اعتبار عکس: تیم ملی عملیات تاسیسات احتراق. سمت راست: تصویر پرتو ایکس از پلاسمای متلاطم تولید شده در آزمایش‌ها که در ۲۸ بیلیونیوم ثانیه پس از شلیک لیزر گرفته شده است. پلاسمای داغ پرتوهای ایکس نرمی ساطع می‌کند که محققان را قادر می‌سازد ویژگی‌های جریان آشفته را مشخص کنند و نوسانات دمای الکترون را اندازه‌گیری کنند که سرکوب شدید انتقال گرما را آشکار می‌کند. اعتبار: تیم ملی عملیات تاسیسات احتراق

عملکرد درونی رسانش گرما در خوشه‌های کهکشانی با همکاری محققان بین‌المللی به رهبری دانشگاه آکسفورد، دانشگاه روچستر و دانشگاه شیکاگو کشف شده است.

بیشتر مواد در خوشه‌های کهکشانی به شکل گاز یونیزه شده ضعیفی به نام پلاسما است که توسط میدان‌های مغناطیسی رزو می‌شود و در حالت متلاطم قرار دارد. در رصد بسیاری از این خوشه‌های کهکشانی، اخترشناسان با یک معمای دشوار روبرو بوده‌اند: همه آنها بسیار داغتر از حد انتظار به نظر می‌رسند.

نویسنده مقاله دکتر جنا مینچک و تیم تحقیقاتی از بزرگترین سیستم لیزری در جهان – تأسیسات احتراق ملی (NIF) در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) در کالیفرنیا – برای ایجاد یک کپی از شرایط پلاسمایی خوشه‌های کهکشانی استفاده کردند که انتظار می‌رود در کره زمین رخ دهد.

پروفسور الکساندر اسچکوچیهین، یکی از نویسندگان، گروه فیزیک دانشگاه آکسفورد می‌گوید: «چگونه انرژی به پلاسمایی که خوشه‌های کهکشانی را پر می‌کند توسط کهکشان‌های فعال در مراکزشان تزریق می‌شود، سپس در اطراف پخش می‌شود و کل سیستم را گرم کرده و باعث درخشش اشعه ایکس می‌شود که رصدخانه‌هایی مانند رصدخانه اشعه ایکس چاندرا  دریافت می‌کنند – اینها سوالات اساسی در مورد بزرگترین بلوکهای سازنده جهان ما هستند. هم مشاهدات و هم منطق مدلهای نظری ما نشان می‌دهد که رسانش گرما در این پلاسماها به شدت وجود دارد.

این تصویر شبیه‌سازی FLASH پلت فرم TDYNO با هدایت حرارتی اسپیتزر روشن (چپ) و خاموش (راست)، دمای الکترون را بر حسب الکترون ولت، eV نشان می‌دهد (1 eV مربوط به 11333 oC یا 20431 oF است). مغناطش قوی پلاسما به دست آمده در آزمایشات NIF TDYNO منجر به سرکوب قابل توجهی از هدایت حرارتی می‌شود که به نوبه خود منجر به نوسانات قابل توجهی در دمای الکترون (راست) می‌شود که در شبیه‌سازی FLASH بازتولید می‌شوند. اعتبار: Yingchao Lu، دانشگاه روچستر.

دکتر مینچک که در طول این تحقیق در دانشگاه آکسفورد بود و اکنون در دانشگاه ایالتی بویس است، ادامه داد: “آزمایش‌های انجام‌شده در NIF به معنای واقعی کلمه خارج از این جهان هستند. می‌توانند پویایی قدرتمند کیهان را به آزمایشگاه بیاورند. NIF واقعاً فرصتهایی را برای قدم گذاشتن به ناشناخته‌ها فراهم می‌کند.”

محققان از پرتوهای لیزر برای تبخیر فویلهای پلاستیکی و تولید پلاسمای متلاطم و مغناطیسی در آزمایشهای NIF استفاده کردند.

دکتر آرچی بات، دپارتمان علوم اخترفیزیک در دانشگاه پرینستون می‌گوید: «آنچه در این آزمایشهای NIF منحصربه‌فرد است این است که الکترون‌های پلاسما به ندرت با یکدیگر برخورد می‌کنند که در نهایت خطوط میدان مغناطیسی درهم‌تنیده را دنبال می‌کنند».

دکتر بات گفت: «این پدیده، دقیقاً همان چیزی است که تصور می‌شود در خوشه‌های کهکشانی رخ می‌دهد، منجر به هدایت حرارتی سرکوب‌شده می‌شود.»

این اثر به وضوح در داده‌های آزمایشگاهی دیده می‌شود: اندازه‌گیری‌ها حفره‌هایی از پلاسمای داغ را نشان می‌دهند که در زمان باقی می‌مانند و گرما نمی‌تواند از آن خارج شود.

محقق اصلی این آزمایش‌ها، پروفسور جیانلوکا گرگوری، گروه فیزیک در دانشگاه آکسفورد می‌گوید: “این کار گام مهمی برای درک فرآیندهای میکروسکوپی است که در پلاسماهای مغناطیسی و متلاطم رخ می‌دهند. یافته‌های تجربی تا حدودی شگفت‌انگیز هستند. همانطور که آنها نشان می‌دهند که انرژی به روش‌هایی بسیار متفاوت از آنچه منتقل می‌شود که ما از تئوری‌های ساده انتظار داریم.

پروفسور پتروس تزفراکوس، مدیر مرکز علوم محاسباتی FLASH که تلاش‌های شبیه‌سازی را برای طراحی و کمک به تفسیر کمپین آزمایشی NIF رهبری کرد، تأیید می‌کند: «این نتیجه واقعاً شگفت‌انگیز است».

اگرچه شبیه‌سازی‌ها نتایج تجربی را با کنترل انتقال حرارت الکترون بازتولید می‌کنند، مکانیسم میکروسکوپی نامشخص است که در نهایت مسئول سرکوب مشاهده‌شده است.

آماده سازی برای کار بیشتر با استفاده از لیزر NIF برای بررسی جزئیات این فعل و انفعالات در حال انجام است.

دکتر جیمز استیون راس، دانشمند رابط پروژه در LLNL گفت: «این آزمایشها بینشی در مورد فرآیندهای پیچیده فیزیک ارائه می‌کنند و همچنین سؤالات دیگری را ایجاد می‌کنند که امیدواریم در آزمایش‌های آینده NIF Discovery Science با طراحی هدف بهینه و پیکربندی تشخیصی به آنها پاسخ دهیم.»

این آزمایش‌ها نشان می‌دهند که چگونه اکتشافات آزمایشگاهی می‌توانند به درک سیستم‌های اخترفیزیکی به روشی مکمل مشاهدات کمک کنند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Researchers unravel the inner workings of heat conduction in galaxy clusters

by University of Oxford MARCH 9, 2022

https://phys.org/news/2022-03-unravel-galaxy-clusters.html