Genesteld in het sterrenbeeld Stier, een schouwspel van wervelende kosmische gassen met een doorsnede van een half dozijn lichtjaren in tinten van smaragd en kastanjebruin. De Krabnevel werd geboren uit een supernova, de explosie van een gigantische ster, en nu, een laboratoriummachine ter grootte van een dubbele deur repliceert hoe de immense ontploffing de astronomische wervelingen tot leven brengt.

"Het is 1,80 meter hoog en ziet eruit als een grote plak pizza die aan de bovenkant ongeveer 1,20 meter breed is. " zei Ben Musci over de supernova-machine die hij bouwde voor een studie aan het Georgia Institute of Technology.

De machine is ook ongeveer zo dun als een deur en staat verticaal met de punt van de "pizza" onderaan. Een beknopte ontploffing in die punt stuwt een explosiegolf naar de top, en in het midden van de machine, de golf gaat door twee lagen gas, waardoor ze turbulent mengen tot wervelingen zoals die achtergelaten door supernova's.

Laserlicht verlicht de wervelingen, en door een raam, een hogesnelheidscamera met een close-uplens legt de schoonheid vast samen met gegevens op centimeterschaal die kunnen worden geëxtrapoleerd naar astronomische schalen met behulp van gevestigde natuurkunde-wiskunde. Het vergde twee en een half jaar technische aanpassingen om de machine resultaten te laten produceren die nuttig waren voor het bestuderen van de natuur.

Swirls matchen

"We gaan plotseling van een perfect stille kamer naar een kleine supernova. Er is veel techniek gedaan om de explosie in te dammen en tegelijkertijd realistisch te maken waar het de gasinterface in het visualisatievenster raakt, " zei Devesh Ranjan, de hoofdonderzoeker van de studie en een professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech.

"Het moeilijkste was het oplossen van problemen met de artefacten die geen deel uitmaakten van de supernova-fysica. Ik heb een jaar lang dingen verwijderd zoals een extra schokgolf die in de kamer rondstuitert of lucht die uit de kamer lekt, " zei Musci, de eerste auteur van de studie en een afgestudeerde onderzoeksassistent in het laboratorium van Ranjan. "Ik moest er ook voor zorgen dat de zwaartekracht, achtergrond straling, en temperatuur wierp de fysica niet af."

De onderzoekers publiceren hun resultaten in Het astrofysische tijdschrift op 17 juni, 2020. Het onderzoek werd gefinancierd door het Fusion Energy Science-programma van het Amerikaanse Department of Energy. Musci is van plan om samen te werken met het Lawrence Livermore National Laboratory om de gaspatronen van de machine te vergelijken met actuele gegevens over supernovaresten.

De speciale explosie van Supernova

Niet alle nevels zijn overblijfselen van supernova's, maar velen zijn dat wel. Zij en andere supernovaresten beginnen met een massieve ster. Sterren zijn ballen van gassen, die in lagen zijn gerangschikt, en wanneer een ster explodeert in een supernova, die lagen maken de vorming van de prachtige wervelingen mogelijk.

"Aan de buitenkant, de gassen hebben een lage dichtheid en van binnen een hoge dichtheid, en heel diep in de ster, de dichtheid begint de gassen samen te dwingen om ijzer te maken in de kern van de ster, ' zei Ranjan.

"Na dit punt de ster heeft geen nucleaire brandstof meer, dus de uiterlijke kracht veroorzaakt door kernfusie stopt met het in evenwicht brengen van de innerlijke zwaartekracht. De extreme zwaartekracht doet de ster instorten, ' zei Musci.

In het midden van de ster, er is een puntexplosie, dat is de supernova. Het zendt een explosiegolf uit met een snelheid van ongeveer een tiende van de lichtsnelheid die door de gassen scheurt, hun lagen samenvoegen.

Zwaarder gas in de binnenste lagen steekt turbulente ontsluitingen in lichter gas in de buitenste lagen. Dan achter de explosiegolf, druk daalt, de gassen weer uitrekken voor een ander soort turbulente menging.

"Het is een harde duw gevolgd door een langdurig trekken of strekken, ' zei Musci.

Explosief bootst supernova na

De onderzoekers gebruikten kleine hoeveelheden van een in de handel verkrijgbare detonator (met RDX, of Onderzoeksafdeling eXplosive, en PETN, of pentaerythritoltetranitraat) om de beknopte miniatuurexplosie te maken die een schone golf door het grensvlak tussen de zwaardere en lichtere gassen in de machine stuurde.

In de natuur, de explosiegolf gaat sferisch uit in alle richtingen, en Musci bereikte een gedeeltelijke weergave van zijn kromming in de explosiegolf van de machine. In de natuur en in de machine, grensvlakken tussen de gassen zitten vol met kleine, ongelijke wendingen die verstoringen worden genoemd, en de explosiegolf mept ze in scheve hoeken.

"Dat is belangrijk om de aanvankelijke verstoring te laten groeien die tot turbulentie leidt, omdat die oneffenheid een koppel op het grensvlak tussen de gaslagen legt, ' zei Musci.

Er ontstaan ​​kronkels en krulletjes om supernovaresten te maken, die zich duizenden jaren uitstrekken tot zachtere en gladdere vormen die onze harten beroeren met hun pracht. aan natuurkundigen, die eerste wendingen zijn zeer herkenbare structuren die interessant zijn voor studie:turbulente pieken van zwaar gas die uitsteken in licht gas, "bellen" van licht gas geïsoleerd in gebieden met zwaar gas, en krullen die typisch zijn voor vroege turbulente stroming.

"Een van de meest interessante dingen die we hebben gezien, had te maken met een mysterie over supernova's:ze schieten gas met een hoge dichtheid dat ejecta-uitweg wordt genoemd, af, die kunnen helpen bij het creëren van nieuwe sterren. We zagen een deel van deze gasvoortstuwing in het apparaat waar zwaar gas ver naar buiten werd verspreid in het lichte gas, ' zei Musci.

Supernovaresten breiden voortdurend uit met snelheden van honderden mijlen per seconde, en de nieuwe machine kan helpen bij het verfijnen van berekeningen van die snelheden en helpen bij het karakteriseren van de veranderende vormen van overblijfselen. De supernova van de Krabnevel werd in het jaar 1054 geregistreerd door Chinese astronomen, maar voor vele andere overblijfselen, de machine kan ook helpen bij het berekenen van hun geboortemoment.

Inertiële opsluiting fusie

De inzichten van de machine zouden omgekeerd van toepassing zijn om te helpen bij de ontwikkeling van kernfusie-energie. Het proces dat traagheidsfusie wordt genoemd, past extreme kracht en warmte van buiten naar binnen gelijkmatig toe op een klein gebied waar twee isotopen van waterstofgas op elkaar zijn gelaagd, de een dikker dan de ander.

De lagen worden samengedrukt totdat de kernen van de atomen samensmelten, energie vrijmaken. Fusieonderzoekers streven ernaar om turbulente menging te elimineren. Wat mooi is aan de supernova, maakt kernfusie minder efficiënt.