Forskere skaber første laboratoriegeneration af astrofysiske chokbølger

I hele universet, supersoniske chokbølger driver kosmiske stråler og supernova -partikler til hastigheder nær lysets hastighed. Den mest højenergi af disse astrofysiske stød forekommer for langt uden for solsystemet til at blive undersøgt i detaljer og har længe undret astrofysikere. Stød tættere på Jorden kan detekteres af rumfartøjer, men de flyver for hurtigt forbi for at undersøge en bølges dannelse.

Åbner døren til ny forståelse

Nu har et team af forskere genereret de første højenergi-chokbølger i et laboratorium, åbner døren til ny forståelse af disse mystiske processer. "Vi har for første gang udviklet en platform til at studere stærkt energiske stød med større fleksibilitet og kontrol end det er muligt med rumfartøjer, "sagde Derek Schaeffer, en fysiker ved Princeton University og US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), og hovedforfatter af et juli -papir i Fysisk gennemgangsbreve der skitserer eksperimenterne.

Schaeffer og kolleger udførte deres forskning om Omega EP -laserfaciliteten ved University of Rochester Laboratory for Laser Energetics. Samarbejdet om projektet var PPPL -fysikeren Will Fox, hvem designede eksperimentet, og forskere fra Rochester og universiteterne i Michigan og New Hampshire. "Dette lader dig forstå udviklingen af ​​de fysiske processer, der foregår inde i stødbølger, "Fox sagde om platformen.

For at producere bølgen, forskere brugte en laser til at skabe et højenergiplasma-en form for stof sammensat af atomer og ladede atompartikler-der ekspanderede til et allerede eksisterende magnetiseret plasma. Den interaktion, der skabes, inden for få milliarder af et sekund, en magnetiseret chokbølge, der ekspanderede med en hastighed på mere end 1 million miles i timen, kongruent med stød ud over solsystemet. Den hurtige hastighed repræsenterede et højt "magnetosonisk Mach -nummer", og bølgen var "kollisionsfri, "emulerende stød, der opstår i det ydre rum, hvor partikler er for langt fra hinanden til ofte at kollidere.

Opdagelse ved et uheld

Opdagelsen af ​​denne metode til frembringelse af stødbølger skete faktisk ved et uheld. Fysikerne havde undersøgt magnetisk genforbindelse, processen, hvor magnetfeltlinjerne i plasma konvergerer, adskilt og energisk forbindelse igen. For at undersøge plasmaflowet i forsøget, forskere installerede en ny diagnostik på Rochester laseranlægget. Til deres overraskelse, diagnostikken afslørede en kraftig stigning i densiteten af ​​plasmaet, hvilket signalerede dannelsen af ​​en høj Mach -nummer chokbølge.

For at simulere fundene, forskerne kørte en computerkode kaldet "PSC" på Titan -supercomputeren, den mest kraftfulde amerikanske computer, placeret på DOE's Oak Ridge Leadership Computing Facility. Simuleringen udnyttede data fra eksperimenterne og resultaterne af modellen stemte godt overens med diagnostiske billeder af chokdannelsen.

Fremadrettet, laboratorieplatformen vil muliggøre nye undersøgelser af forholdet mellem kollisionsfrie stød og acceleration af astrofysiske partikler. Platformen "supplerer nuværende fjernmåling og rumfartøjsobservationer, "skrev forfatterne, og "åbner vejen for kontrollerede laboratorieundersøgelser af chok med høje Mach-tal."