Denne supernova-pizza i et laboratorium efterligner de kosmiske eksplosioner pragtfulde eftervirkninger

Beliggende i stjernebilledet Tyren, et skue af hvirvlende kosmiske gasser, der måler et halvt dusin lysår på tværs af gløder i nuancer af smaragd og rødbrun. Krabbetågen blev født af en supernova, eksplosionen af ​​en kæmpe stjerne, og nu, en laboratoriemaskine på størrelse med en dobbeltdør replikerer, hvordan de enorme eksplosioner maler de astronomiske hvirvler til at blive til.

"Den er seks fod høj og ligner en stor skive pizza, der er omkring fire fod bred på toppen, " sagde Ben Musci om den supernova-maskine, han byggede til et studie på Georgia Institute of Technology.

Maskinen er også omtrent lige så tynd som en dør og står lodret med "pizzaens" spids i bunden. En kortfattet detonation i den spids sender en eksplosionsbølge mod toppen, og i midten af ​​maskinen, bølgen passerer gennem to lag gas, får dem til at blande sig turbulent til hvirvler som dem, der efterlades af supernovaer.

Laserlys oplyser hvirvlerne, og gennem et vindue, et højhastighedskamera med et nærbillede fanger skønheden sammen med data på en centimeterskala, der kan ekstrapoleres til astronomiske skalaer ved hjælp af veletableret fysikmatematik. At få maskinen til at producere resultater, der er nyttige til at studere naturen, tog to et halvt år med tekniske justeringer.

Matchende hvirvler

"Vi går pludselig fra et helt stillestående kammer til en lille supernova. Der blev lavet en masse teknik for at begrænse eksplosionen og samtidig gøre det realistisk, hvor det rammer gasgrænsefladen i visualiseringsvinduet, " sagde Devesh Ranjan, undersøgelsens hovedforsker og professor ved Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering.

"Den svære del var at fejlfinde de artefakter, der ikke var en del af supernova-fysikken. Jeg brugte et år på at slippe af med ting som en ekstra chokbølge, der hoppede rundt i kammeret eller luft, der siver ind fra rummet, " sagde Musci, undersøgelsens første forfatter og en færdiguddannet forskningsassistent i Ranjans laboratorium. "Jeg skulle også sørge for, at tyngdekraften, baggrundsstråling, og temperaturen afbrød ikke fysikken."

Forskerne offentliggør deres resultater i The Astrophysical Journal den 17. juni, 2020. Forskningen blev finansieret af det amerikanske energiministeriums Fusion Energy Science-program. Musci planlægger at samarbejde med Lawrence Livermore National Laboratory for at sammenligne maskinens gasmønstre med faktiske data om supernova-rester.

Supernovas specielle eksplosion

Ikke alle tåger er rester af supernovaer, men mange er. De og andre supernova-rester starter med en massiv stjerne. Stjerner er kugler af gasser, som er arrangeret i lag, og når en stjerne eksploderer i en supernova, disse lag muliggør dannelsen af ​​de smukke hvirvler.

"På ydersiden, gasserne har lav densitet og på indersiden høj densitet, og meget dybt i stjernen, tætheden begynder at tvinge gasserne sammen til jern i stjernens kerne, " sagde Ranjan.

"Efter dette tidspunkt, stjernen løber tør for atombrændsel, så den ydre kraft forårsaget af kernefusion holder op med at balancere den indadgående tyngdekraft. Den ekstreme tyngdekraft kollapser stjernen, " sagde Musci.

I midten af ​​stjernen, der er en punkteksplosion, som er supernovaen. Det sender en eksplosionsbølge, der rejser med omkring en tiendedel af lysets hastighed, der river gennem gasserne, jammer deres lag sammen.

Tungere gas i de indre lag stikker turbulente fremspring til lettere gas i de ydre lag. Så bag eksplosionsbølgen, trykfalder, at strække gasserne tilbage til en anden form for turbulent blanding.

"Det er et hårdt skub efterfulgt af et længere træk eller stræk, " sagde Musci.

Eksplosiv efterligner supernova

Forskerne brugte små mængder af en kommercielt tilgængelig detonator (indeholdende RDX, eller eksplosiv forskningsafdeling, og PETN, eller pentaerythritoltetranitrat) for at lave den kortfattede miniature-sprængning, der sendte en ren bølge gennem grænsefladen mellem de tungere og lettere gasser i maskinen.

I naturen, eksplosionsbølgen går ud sfærisk i alle retninger, og Musci opnåede en delvis repræsentation af sin krumning i maskinens eksplosionsbølge. I naturen og i maskinen, grænseflader mellem gasserne er fulde af små, ujævne drejninger kaldet forstyrrelser, og eksplosionsbølgen slår dem i skæve vinkler.

"Det er vigtigt for at øge den indledende forstyrrelse, der fører til turbulens, fordi den ujævnhed sætter et drejningsmoment på grænsefladen mellem gaslagene, " sagde Musci.

Vindinger og krøller følger for at lave supernova-rester, som udvider sig i tusinder af år til at blive blødere og glattere former, der rører vores hjerter med deres pragt. Til fysikere, disse indledende drejninger er meget genkendelige strukturer, der er interessante at studere:Turbulente spidser af tung gas, der stikker ud i let gas, "bobler" af let gas isoleret i områder med tung gas, og krøller typiske for tidlig turbulent flow.

"En af de mest interessante ting, vi så, var relateret til et mysterium om supernovaer - de skyder gas med høj tæthed kaldet ejecta way out, som kan være med til at skabe nye stjerner. Vi så noget af denne gasfremdrift i enheden, hvor tung gas blev spredt ud i den lette gas, " sagde Musci.

Supernova-rester udvider sig konstant med hastigheder på hundreder af miles i sekundet, og den nye maskine kunne hjælpe med at forfine beregninger af disse hastigheder og hjælpe med at karakterisere resternes skiftende former. Krabbetågens supernova blev optaget i år 1054 af kinesiske astronomer, men for mange andre rester, maskinen kunne også hjælpe med at beregne deres fødselstidspunkt.

Inerti indeslutning fusion

Maskinens indsigt ville gælde omvendt for at hjælpe med udviklingen af ​​nuklear fusionsenergi. Processen kaldet inertial indeslutningsfusion anvender ekstrem kraft og varme udefra og indad jævnt på et lille område, hvor to isotoper af brintgas er lagt på hinanden, den ene tættere end den anden.

Lagene tvinges sammen, indtil atomernes kerner smelter sammen, frigive energi. Fusionsforskere stræber efter at eliminere turbulent blanding. Det smukke i supernovaen gør kernefusion mindre effektiv.