Skalerede laboratorieforsøg forklarer Krabbe -stjernetågen

Seniorforsker Chikang Li vil eksperimentere med stjernerne. Interageret af et mærkeligt "knæk" -fænomen observeret i Krabbe -stjernetågen, en interstellar sky af gas og støv, der dannede sig i kølvandet på en supernovaeksplosion, han har ledt efter svar. Billeder fra Chandra røntgenobservatoriet viser, at en plasmastråle, der strømmer lige ud fra neutronstjernen i stjernetågen, ser ud til at ændre retning hvert par år, uden at ændre dens struktur. Hvorfor? Forskere har antaget, at magnetfelter med de rigtige egenskaber kan forklare denne adfærd, men Li ønskede bevis.

"Hvordan designer du et eksperiment på Jorden for at forklare mysterier, der sker 6, 500 lysår væk, og strækker sig over 13 lysår med plads? "spørger han." Traditionel astrofysik er baseret på observation. Normalt efter at du har foretaget en observation, du bygger en teoretisk model, du laver nogle numeriske simuleringer. Men det er det. Hvordan kan du gå derhen og måle noget? Hvordan kan du lave et eksperiment for at teste denne model? "

Li har været en del af MIT's Plasma Science and Fusion Center (PSFC) siden han blev kandidatstuderende i 1987. Som medstifter og associeret chef for PSFC's Division med høj energi-tæthedsfysik (HEDP), Li har regelmæssigt samarbejdet med National Ignition Facility og University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics om inertial indeslutningsfusion og laboratorie-astrofysiske eksperimenter. Han besluttede at se, om han også kunne bruge laboratoriets OMEGA -laser til at efterligne forholdene i Krabbe -stjernetågen, og bevise hypotesen om, at magnetfelter var ansvarlige for "knækket i krabben".

I stedet for at træne OMEGAs flere laserstråler på en enkelt pille brintbrændstof, som han ville for et fusionseksperiment, Li sprang lasere af to 3 x 3 mm folier, der er hængslet sammen i en 60-graders vinkel. Ved hjælp af to laserstråler til at opvarme hver side, han genererede plasma bobler, eller fjer. Li vidste det, fordi de er meget tætte og varme, disse fjer vil straks ekspandere, kolliderer i midterplanet mellem de to folier for at danne en stråle.

Li bemærker, at selvom laboratoriegenererede jetfly og astrofysiske jetfly har meget forskellige størrelsesskalaer, den grundlæggende fysik kan være den samme, fordi kritiske dimensionsløse parametre ligner hinanden. Som resultat, de deler nok fysiske egenskaber til at Li kan skalere sine laboratorieforsøg, som man ville gøre fra en vindtunnel til et fly, til forhold i krabbetågen.

Mens knækket i stjernetågen forekommer over et par år, laboratorieeksperimentet skaber en jet i et nanosekund (milliarddel af et sekund), som derefter formerer sig i fem til seks nanosekunder. Li griner, mens han betragter eksperimenternes hastighed:"Du skal generere det, diagnosticere det, karakteriserer det, kvantificere det i denne periode! "

For at måle de magnetiske felter, der genereres af eksperimentet, Li brugte en monoenergetisk protonradiografi (MPR) diagnostisk opfundet af hans division i 2005, tillader ham, gennem afbøjningen af ​​protonerne, at lave et røntgenbillede af markerne. Med de kvantitative målinger i hånden, han har været i stand til at bevise, at nebula jet adfærd er styret af svage magnetiske felter langs jet, som holder strukturen stort set lige, og andre magnetfelter, der cirkler rundt om strålen, som skaber den ustabilitet, der er ansvarlig for retningsændringen. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Naturkommunikation .

HEDP -divisionschef Richard Petrasso bemærkede vigtigheden af ​​Li's arbejde:"Gennem hans forståelse af ustabilitet og hans udvikling af MPR -diagnostikken til at kortlægge forbigående magnetfelter i laboratoriet, Chikang har været i stand til at udforske og forklare, for første gang, sådanne forvirrende fænomener som jetting i Krabbe -stjernetågen. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.