기포 발생, 거품 발생 및 출렁거림: 오랫동안 가정되어 있던 플라즈마 불안정성이 마침내 관찰됨

은하계 사이이든 토카막이라고 알려진 도넛 모양의 핵융합 장치 내부이든, 전기적으로 충전된 네 번째 물질 상태인 플라스마는 정기적으로 강력한 자기장을 만나 모양이 바뀌고 공간에서 출렁인다. 이제 원자핵을 형성하는 아원자 입자인 양성자를 사용하는 새로운 측정 기술이 처음으로 이 출렁임의 세부 사항을 포착하여 별들 사이에 뻗어 있는 거대한 플라스마 제트의 형성에 대한 통찰력을 제공할 가능성이 있습니다.

미국 에너지부(DOE) 프린스턴 플라스마 물리학 연구소(PPPL)의 과학자들은 플라스마가 팽창하면서 생기는 압력 때문에 바깥쪽으로 휘는 자기장의 자세한 그림을 만들었습니다. 플라스마가 자기장을 밀면서 경계에서 자기-레이리 테일러 불안정성이라고 알려진 거품과 거품이 생겨 기둥과 버섯을 닮은 구조가 생겼습니다.

그런 다음 플라즈마 에너지가 감소함에 따라 자기장 선이 원래 위치로 다시 돌아갔습니다. 그 결과, 플라즈마는 블랙홀로 알려진 초고밀도 죽은 별에서 흘러나와 은하 크기의 몇 배에 달하는 거리까지 확장될 수 있는 플라즈마 제트와 유사한 직선 구조로 압축되었습니다. 결과는 원인이 여전히 미스터리로 남아 있는 제트가 이 연구에서 관찰된 것과 동일한 압축 자기장에 의해 형성될 수 있음을 시사합니다.

PPPL 소속 연구 물리학자이자 논문 수석 과학자인 소피아 말코(Sophia Malko)는 "실험을 하고 데이터를 분석했을 때 뭔가 큰 것이 있다는 것을 발견했습니다"라고 말했습니다. "플라즈마와 자기장의 상호 작용으로 인해 발생하는 자기-레일리 테일러(Magneto-Rayleigh Taylor) 불안정성을 관찰하는 것은 오랫동안 발생한다고 생각되어 왔지만 지금까지 직접적으로 관찰된 적은 없었습니다. 이 관찰은 플라즈마가 팽창하면서 자기장을 만날 때 이러한 불안정성이 발생한다는 것을 확인하는 데 도움이 됩니다. 우리는 그렇지 않았습니다. 우리 진단이 그 정도로 정확할 것이라는 사실을 알고 우리 팀 전체가 기뻐하고 있습니다!"

PPPL 연구 물리학자이자 Physical Review Research에 보고된 연구의 주요 조사자인 Will Fox는 "이 실험은 자기장이 플라즈마 제트의 형성에 매우 중요하다는 것을 보여줍니다."라고 말했습니다. "이제 우리는 무엇이 제트를 생성하는지에 대한 통찰력을 얻었으므로 이론적으로 거대한 천체 물리학 제트를 연구하고 블랙홀에 대해 배울 수 있습니다."

PPPL은 다양한 조건에서 플라즈마의 밀도 및 온도와 같은 특성을 측정하는 센서인 진단 및 구축 분야에서 세계적으로 유명한 전문 지식을 보유하고 있습니다. 이 성과는 최근 몇 년 동안 연구소가 플라즈마 물리학 분야에서 측정 혁신을 어떻게 발전시키고 있는지 보여주는 여러 성과 중 하나입니다.

새로운 기술을 사용하여 전례 없는 디테일을 만들어냅니다.

팀은 매우 정확한 측정이 가능한 이 실험에 대한 새로운 변형을 만들어 양성자 방사선 촬영이라는 측정 기술을 개선했습니다. 플라즈마를 생성하기 위해 팀은 작은 플라스틱 디스크에 강력한 레이저를 조사했습니다. 양성자를 생성하기 위해 그들은 다양한 수소와 헬륨 원자로 만들어진 연료가 들어 있는 캡슐에 20개의 레이저를 조사했습니다. 연료가 가열됨에 따라 핵융합 반응이 일어나 X선으로 알려진 양성자와 강렬한 빛이 모두 방출되었습니다.

팀은 또한 캡슐 근처에 작은 구멍이 있는 메쉬 시트를 설치했습니다. 양성자가 메쉬를 통해 흐르면서 쏟아져 나오는 것은 주변 자기장으로 인해 구부러진 작은 별도의 빔으로 분리되었습니다. 왜곡된 메시 이미지를 X선에 의해 생성된 왜곡되지 않은 이미지와 비교함으로써 팀은 팽창하는 플라즈마에 의해 자기장이 어떻게 밀려 가장자리에서 소용돌이 모양의 불안정성을 초래하는지 이해할 수 있었습니다.

Fox는 "우리의 실험은 시간이 지남에 따라 자기장이 변하는 것을 직접 볼 수 있다는 점에서 독특했습니다."라고 말했습니다. "우리는 일종의 줄다리기처럼 장이 어떻게 밀려나고 플라즈마에 반응하는지 직접 관찰할 수 있었습니다."

연구 포트폴리오 다각화

이 연구 결과는 PPPL이 고에너지 밀도(HED) 플라스마에 초점을 맞춘 연구를 포함하도록 초점을 확대하는 방식을 잘 보여줍니다. 이 실험의 연료 캡슐에서 생성된 것과 같은 이러한 플라스마는 핵융합 실험에서 사용되는 플라스마보다 더 뜨겁고 밀도가 높습니다. 폭스는 "HED 플라스마는 플라스마 물리학에서 흥미로운 성장 분야입니다."라고 말했습니다. "이 연구는 PPPL이 이 분야를 발전시키려는 노력의 일환입니다. 이 연구 결과는 연구실이 어떻게 고급 진단법을 만들어 이러한 유형의 플라스마에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있는지 보여줍니다. 이 플라스마는 레이저 핵융합 장치와 HED 플라스마를 사용하여 마이크로전자 제조를 위한 방사선을 생성하는 기술에 사용될 수 있습니다."

Fox는 "PPPL은 레이저 생산 HED 플라즈마 분야에 기여하고 상당한 기여를 할 수 있는 자화 플라즈마에 대한 엄청난 양의 지식과 경험을 보유하고 있습니다."라고 말했습니다.

"HED 과학은 복잡하고 매혹적이며 광범위한 현상을 이해하는 데 핵심입니다."라고 PPPL의 전략 및 파트너십 담당 실험실 부책임자이자 최고 연구 책임자인 Laura Berzak Hopkins가 말했습니다. "제어된 방식으로 이러한 조건을 생성하고 정밀 측정을 위한 고급 진단을 개발하는 것은 엄청나게 어렵습니다. 이러한 흥미로운 결과는 PPPL의 광범위한 기술 전문 지식과 혁신적인 접근 방식을 통합하는 것의 영향을 보여줍니다."

더 많은 실험과 더 나은 시뮬레이션

연구진은 플라즈마 팽창 모델을 개선하는 데 도움이 되는 향후 실험을 진행할 계획입니다. "과학자들은 이러한 상황에서 밀도와 자성이 직접적으로 변한다고 가정했지만 그것은 사실이 아닌 것으로 밝혀졌습니다"라고 Malko는 말했습니다.

Malko는 "이제 이러한 불안정성을 매우 정확하게 측정했으므로 모델을 개선하고 잠재적으로 천체 물리학 제트를 이전보다 더 높은 수준으로 시뮬레이션하고 이해하는 데 필요한 정보를 얻었습니다."라고 말했습니다. "보통 우주에 존재하는 무언가를 인간이 실험실에서 만들 수 있다는 것은 흥미롭습니다."

공동 작업자로는 캘리포니아 대학교-로스앤젤레스 캠퍼스, 소르본 대학교, 프린스턴 대학교 및 미시간 대학교의 연구자들이 포함되었습니다. 이 연구는 계약 번호 DE-AC02-09CH11466에 따라 DOE의 실험실 주도 연구 개발 프로그램의 자금을 지원 받았습니다. 실험은 DOE/National Nuclear Security Administration 계약 번호 DE-NA0003856에 따라 로체스터 대학의 오메가 레이저 시설을 사용하여 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240827105036.htm