Forskere gengiver dynamikken bag astrofysiske chok

Højenergi chokbølger drevet af solblusser og koronale masseudstødninger af plasma fra solen bryder ud i hele solsystemet, frigive magnetiske rumstorme, der kan beskadige satellitter, forstyrre mobiltelefontjenesten og strømafbrydelsesnettet på Jorden. Solenvinden-plasma, der konstant strømmer fra solen og bufferer Jordens beskyttende magnetfelt, kører også højenergibølger.

Nu har eksperimenter ledet af forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) i Princeton Center for Heliophysics for første gang gengivet processen bag kilden til sådanne chok. Resultaterne bygger bro mellem laboratorie- og rumfartøjsobservationer og forudgående forståelse af, hvordan universet fungerer.

Pludselige spring

Eksperimenterne, rapporteret i Fysisk gennemgangsbreve , vise, hvordan interaktionen mellem plasma - materiens tilstand består af frie elektroner og atomkerner, eller ioner - kan forårsage pludselige spring i plastryk og magnetfeltstyrke, der kan accelerere partikler til nær lysets hastighed. Sådanne stød er "kollisionsfrie", fordi de dannes ved interaktion mellem bølger og plasmapartikler frem for ved kollisioner mellem partiklerne selv.

Undersøgelsen producerede måling af den fulde op til chok. "Direkte måling er en elegant måde at se, hvordan partiklerne bevæger sig og interagerer, "sagde fysiker Derek Schaeffer fra PPPL og Princeton University, der ledede forskningen. "Vores papir viser, at vi kan anvende en kraftfuld diagnostik til at studere de partikelbevægelser, der fører til chok."

Forskningen, udført på Omega laserfaciliteten ved University of Rochester, produceret et laserdrevet plasma-kaldet et "stempel" -plasma-der ekspanderede med den supersoniske hastighed på mere end en million miles i timen gennem et allerede eksisterende plasma. Udvidelsen accelererede ioner i det omgivende plasma til hastigheder på cirka en halv million miles i timen, simulere forløberen til kollisionsfrie stød, der opstår i hele kosmos.

Forskningen foregik i flere faser:

• Først, skabelsen af ​​stemplplasmaet gengav de supersoniske plasmaer, der dannes i det ydre rum. Stemplet virkede som en sneplov, fejer ioner op i det omgivende plasma indlejret i et magnetfelt.
• Efterhånden som flere af disse ioner blev fejet op, de dannede en barriere, der forhindrede stemplet i at virke videre. "Når du har stablet nok" sne "op, chokket afkobles fra stemplet, "Sagde Schaeffer.
• Det standserede stempel afgav dannelsen af ​​stødet til det stærkt komprimerede magnetiserede plasma, hvilket gav anledning til det pludselige kollisionsfrie spring.

Forskere brugte en diagnostik kaldet Thompson -spredning til at spore denne udvikling. Diagnostikken registrerer laserlys spredt fra elektronerne i plasma, muliggør måling af elektronernes temperatur og tæthed og hastigheden af ​​de flydende ioner. Resultaterne, forfatterne skriver, vise, at laboratorieforsøg kan undersøge plasmapartiklers adfærd i forløberen til kollisionsfrie astrofysiske stød, "og kan supplere, og i nogle tilfælde overvinde begrænsningerne ved lignende målinger foretaget af rumfartøjsmissioner. "

Ultimative mål

Mens denne forskning gengav processen, der afværger chok, det endelige mål er at måle de stødaccelererede partikler selv. Til det trin, sagde Schaeffer, "den samme diagnose kan bruges, når vi udvikler evnen til at køre stærkt nok stød. Som en bonus, "tilføjer han, "Denne diagnose ligner, hvordan rumfartøjer måler partikelbevægelser i rumstød, så fremtidige resultater kan direkte sammenlignes. "