Astrofysiske chokfænomener gengivet i laboratoriet

Store interstellare begivenheder, hvor skyer af ladet stof skyder ind i hinanden og udspyder højenergipartikler, er nu blevet gengivet i laboratoriet med høj troskab. Arbejdet, af MIT -forskere og et internationalt team af kolleger, skulle hjælpe med at løse mangeårige tvister om præcis, hvad der finder sted i disse gigantiske chok.

Mange af de største begivenheder, såsom den ekspanderende boble af stof, der suser udad fra en supernova, involvere et fænomen kaldet kollisionsfrit chok. I disse interaktioner, skyerne af gas eller plasma er så sjældne, at de fleste af de involverede partikler faktisk savner hinanden, men de interagerer ikke desto mindre elektromagnetisk eller på andre måder for at producere synlige stødbølger og filamenter. Disse begivenheder med høj energi har hidtil været svære at gengive under laboratorieforhold, der afspejler dem i en astrofysisk indstilling, hvilket fører til uenigheder blandt fysikere om mekanismerne, der arbejder i disse astrofysiske fænomener.

Nu, det er lykkedes forskerne at gengive kritiske forhold for disse kollisionsfrie stød i laboratoriet, muliggøre detaljeret undersøgelse af de processer, der finder sted inden for disse gigantiske kosmiske smashups. De nye fund er beskrevet i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , i et oplæg af MIT Plasma Science and Fusion Center Senior Research Scientist Chikang Li, fem andre på MIT, og 14 andre rundt om i verden.

Stort set alt synligt stof i universet er i form af plasma, en slags suppe af subatomære partikler, hvor negativt ladede elektroner svømmer frit sammen med positivt ladede ioner i stedet for at være forbundet til hinanden i form af atomer. Solen, stjernerne, og de fleste skyer af interstellært materiale er lavet af plasma.

De fleste af disse interstellare skyer er ekstremt tynde, med så lav tæthed, at sande kollisioner mellem deres bestanddele er sjældne, selv når en sky smækker ind i en anden ved ekstreme hastigheder, der kan være meget hurtigere end 1, 000 kilometer i sekundet. Alligevel, resultatet kan være en spektakulært lys chokbølge, undertiden viser en stor strukturel detalje, herunder lange efterfølgende filamenter.

Astronomer har fundet ud af, at der sker mange ændringer ved disse stødgrænser, hvor fysiske parametre "hopper, "Siger Li. Men det har været svært at tyde mekanismerne, der finder sted i kollisionsfrie stød, da kombinationen af ​​ekstremt høje hastigheder og lave tætheder har været svær at matche på Jorden.

Mens der tidligere var blevet forudsagt kollisionsfrie stød, den første, der blev identificeret direkte, i 1960'erne, var stævnestødet dannet af solvinden, en svag strøm af partikler, der kommer fra solen, når den rammer Jordens magnetfelt. Snart, mange sådanne stød blev genkendt af astronomer i det interstellare rum. Men i årtierne siden, "Der har været mange simuleringer og teoretisk modellering, men mangel på eksperimenter "for at forstå, hvordan processerne fungerer, Siger Li.

Li og hans kolleger fandt en måde at efterligne fænomenerne i laboratoriet ved at generere en stråle med lavdensitetsplasma ved hjælp af et sæt med seks kraftfulde laserstråler, på OMEGA laseranlægget ved University of Rochester, og sigte den mod en tyndvægget polyimid plastpose fyldt med lavdensitets hydrogengas. Resultaterne gengav mange af de detaljerede ustabiliteter, der blev observeret i dybt rum, og bekræfter således, at betingelserne matcher tæt nok til at muliggøre detaljerede, nærbillede af disse undvigende fænomener. En mængde kaldet plasmapartiklernes gennemsnitlige frie vej blev målt til at være meget større end bredden af ​​stødbølgerne, Li siger, dermed opfylder den formelle definition af et kollisionsfrit chok.

På grænsen til det laboratoriegenererede kollisionsfrie chok, plasmaets tæthed steg dramatisk. Teamet var i stand til at måle de detaljerede effekter på både opstrøms og nedstrøms sider af stødfronten, tillader dem at begynde at differentiere de mekanismer, der er involveret i energioverførsel mellem de to skyer, noget, som fysikere har brugt år på at forsøge at finde ud af. Resultaterne er i overensstemmelse med et sæt forudsigelser baseret på noget, der kaldes Fermi -mekanismen, Li siger, men yderligere eksperimenter vil være nødvendige for endegyldigt at udelukke nogle andre mekanismer, der er blevet foreslået.

"For første gang var vi i stand til direkte at måle strukturen" af vigtige dele af det kollisionsfrie stød, Siger Li. "Folk har forfulgt dette i flere årtier."

Forskningen viste også nøjagtigt, hvor meget energi der overføres til partikler, der passerer gennem stødgrænsen, som fremskynder dem til hastigheder, der er en betydelig brøkdel af lysets hastighed, producerer såkaldte kosmiske stråler. En bedre forståelse af denne mekanisme "var målet med dette eksperiment, og det er det, vi målte, siger Li, bemærker, at de fangede et fuldt spektrum af elektronernes energier accelereret af stødet.

"Denne rapport er den seneste rate i en transformativ række af eksperimenter, årligt rapporteret siden 2015, at efterligne en egentlig astrofysisk chokbølge til sammenligning med rumobservationer, "siger Mark Koepke, professor i fysik ved West Virginia University og formand for Omega Laser Facility User Group, der ikke var involveret i undersøgelsen. "Computersimuleringer, rumobservationer, og disse eksperimenter forstærker de fysikfortolkninger, der fremmer vores forståelse af partikelaccelerationsmekanismerne i spil i kosmiske begivenheder med høj energi-densitet, såsom gammastråle-burst-inducerede udstrømme af relativistisk plasma. "

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.