Chokbølger skabt i laboratoriet efterligner astrofysiske partikelacceleratorer drevet af eksploderende stjerner

Når stjerner eksploderer som supernovaer, de producerer chokbølger i plasmaet omkring dem. Så kraftige er disse chokbølger, de kan fungere som partikelacceleratorer, der sprænger strømme af partikler, kaldet kosmiske stråler, ud i universet med næsten lysets hastighed. Men hvordan de præcis gør det, er forblevet noget af et mysterium.

Nu, forskere har udtænkt en ny måde at studere de indre virkninger af astrofysiske chokbølger ved at oprette en nedskaleret version af chokket i laboratoriet. De fandt ud af, at astrofysiske stød udvikler turbulens i meget små skalaer - skalaer, der ikke kan ses af astronomiske observationer - som hjælper med at sparke elektroner mod stødbølgen, før de bliver boostet op til deres endelige, utrolige hastigheder.

"Det er fascinerende systemer, men fordi de er så langt væk, er det svært at studere dem, " sagde Frederico Fiuza, en senior videnskabsmand ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, der ledede den nye undersøgelse. "Vi forsøger ikke at lave supernova-rester i laboratoriet, men vi kan lære mere om fysikken i astrofysiske stød der og validere modeller. "

Indsprøjtningsproblemet

Astrofysiske chokbølger omkring supernovaer er ikke ulig de chokbølger og lydbom, der dannes foran supersoniske jetfly. Forskellen er, at når en stjerne blæser op, det danner, hvad fysikere kalder et kollisionsfrit stød i den omgivende gas af ioner og frie elektroner, eller plasma. I stedet for at løbe ind i hinanden, som luftmolekyler ville, individuelle elektroner og ioner tvinges på denne måde og den af ​​intense elektromagnetiske felter i plasmaet. I processen, forskere har udarbejdet, supernova-restchok producerer stærke elektromagnetiske felter, der hopper ladede partikler hen over stødet flere gange og accelererer dem til ekstreme hastigheder.

Alligevel er der et problem. Partiklerne skal allerede bevæge sig ret hurtigt for først at kunne krydse stødet, og ingen er sikre på, hvad der får partiklerne op i fart. Den åbenlyse måde at løse det problem på, kendt som injektionsproblemet, ville være at studere supernovaer og se, hvad plasmaerne omkring dem har gang i. Men med selv de nærmeste supernovaer tusinder af lysår væk, det er umuligt blot at pege et teleskop mod dem og få nok detaljer til at forstå, hvad der foregår.

Heldigvis, Fiuza, hans postdoc-stipendiat Anna Grassi og kolleger havde en anden idé:De ville prøve at efterligne chokbølgeforholdene for supernova-rester i laboratoriet, noget Grassis computermodeller indikerede kunne være gennemførligt.

Mest væsentligt, holdet skulle skabe en hurtig, diffus chokbølge, der kunne efterligne supernova-restchok. De ville også skulle vise, at plasmadensiteten og temperaturen steg på måder, der stemmer overens med modeller af disse stød – og, selvfølgelig, de ville forstå, om chokbølgen ville skyde elektroner ud med meget høje hastigheder.

Antænde en chokbølge

For at opnå sådan noget, holdet gik til National Ignition Facility, en DOE-brugerfacilitet ved Lawrence Livermore National Laboratory. Der, forskerne skød nogle af verdens mest kraftfulde lasere mod et par kulstofplader, skabe et par plasmastrømme, der ledes direkte ind i hinanden. Da strømmene mødtes, optiske og røntgenobservationer afslørede alle de funktioner holdet ledte efter, hvilket betyder, at de i laboratoriet havde produceret en chokbølge under forhold, der ligner en supernova-restchok.

Mest vigtigt, de fandt ud af, at da stødet blev dannet, var det faktisk i stand til at accelerere elektroner til næsten lysets hastighed. De observerede maksimale elektronhastigheder, der var i overensstemmelse med den acceleration, de forventede baseret på de målte stødegenskaber. Imidlertid, de mikroskopiske detaljer om, hvordan disse elektroner nåede disse høje hastigheder, forblev uklare.

Heldigvis, modellerne kunne hjælpe med at afsløre nogle af de fine punkter, først blevet benchmarket mod eksperimentelle data. "Vi kan ikke se detaljerne om, hvordan partikler får deres energi selv i eksperimenterne, endsige i astrofysiske observationer, og det er her simuleringerne virkelig kommer i spil, "Sagde Grassi.

Ja, computermodellen afslørede, hvad der kan være en løsning på elektroninjektionsproblemet. Turbulente elektromagnetiske felter i selve stødbølgen ser ud til at kunne øge elektronhastigheden op til det punkt, hvor partiklerne kan undslippe stødbølgen og krydse tilbage igen for at få endnu mere hastighed, sagde Fiuza. Faktisk, mekanismen, der får partikler til at gå hurtigt nok til at krydse chokbølgen, ser ud til at være ret lig det, der sker, når chokbølgen får partikler op til astronomiske hastigheder, bare i mindre skala.

Mod fremtiden

Spørgsmål tilbage, imidlertid, og i fremtidige eksperimenter vil forskerne foretage detaljerede målinger af røntgenstrålerne udsendt af elektronerne i det øjeblik de accelereres for at undersøge, hvordan elektronenergier varierer med afstanden fra stødbølgen. At, Fiuza sagde, vil yderligere begrænse deres computersimuleringer og hjælpe dem med at udvikle endnu bedre modeller. Og måske vigtigst, de vil også se på protoner, ikke kun elektroner, affyret af chokbølgen, data, som teamet håber vil afsløre mere om de indre virkninger af disse astrofysiske partikelacceleratorer.

Mere generelt, resultaterne kan hjælpe forskere med at gå ud over begrænsningerne af astronomiske observationer eller rumfartøjsbaserede observationer af de meget tammere stød i vores solsystem. "Dette arbejde åbner op for en ny måde at studere fysikken i supernova -restchok i laboratoriet, " sagde Fiuza.