Door het hele universum, supersonische schokgolven stuwen kosmische straling en supernovadeeltjes naar snelheden nabij de lichtsnelheid. De meest energierijke van deze astrofysische schokken vinden te ver buiten het zonnestelsel plaats om in detail te worden bestudeerd en hebben astrofysici lange tijd voor een raadsel gehouden. Schokken dichter bij de aarde kunnen worden gedetecteerd door ruimtevaartuigen, maar ze vliegen te snel voorbij om de formatie van een golf te kunnen onderzoeken.

De deur openen naar nieuw begrip

Nu heeft een team van wetenschappers de eerste hoogenergetische schokgolven gegenereerd in een laboratoriumomgeving, de deur openen naar een nieuw begrip van deze mysterieuze processen. "We hebben voor het eerst een platform ontwikkeld voor het bestuderen van zeer energetische schokken met meer flexibiliteit en controle dan mogelijk is met ruimtevaartuigen, " zei Derek Schaeffer, een natuurkundige aan de Princeton University en het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), en hoofdauteur van een paper in juli in Fysieke beoordelingsbrieven dat schetst de experimenten.

Schaeffer en collega's voerden hun onderzoek uit naar de Omega EP-laserfaciliteit aan het University of Rochester Laboratory for Laser Energetics. Aan het project werkte PPPL-natuurkundige Will Fox mee, wie heeft het experiment ontworpen, en onderzoekers van Rochester en de universiteiten van Michigan en New Hampshire. "Hierdoor kun je de evolutie begrijpen van de fysieke processen die plaatsvinden in schokgolven, ' zei Fox over het platform.

Om de golf te produceren, wetenschappers gebruikten een laser om een ​​hoogenergetisch plasma te creëren - een vorm van materie bestaande uit atomen en geladen atomaire deeltjes - dat zich uitbreidde tot een reeds bestaand gemagnetiseerd plasma. De interactie die ontstaat, binnen een paar miljardsten van een seconde, een gemagnetiseerde schokgolf die uitbreidde met een snelheid van meer dan 1 miljoen mijl per uur, congruent met schokken buiten het zonnestelsel. De hoge snelheid vertegenwoordigde een hoog "magnetosonisch Mach-getal" en de golf was "botsingsloos, " nabootsen van schokken die optreden in de ruimte waar deeltjes te ver van elkaar verwijderd zijn om vaak te botsen.

Per ongeluk ontdekt

De ontdekking van deze methode om schokgolven te genereren, kwam eigenlijk per ongeluk tot stand. De natuurkundigen hadden magnetische herverbinding bestudeerd, het proces waarbij de magnetische veldlijnen in plasma convergeren, scheiden en energetisch opnieuw verbinden. Om de plasmastroom in het experiment te onderzoeken, onderzoekers installeerden een nieuwe diagnose op de laserfaciliteit van Rochester. Tot hun verbazing, de diagnose onthulde een scherpe stijging van de dichtheid van het plasma, die de vorming van een schokgolf met een hoog Mach-getal signaleerde.

Om de bevindingen te simuleren, de onderzoekers voerden een computercode uit met de naam "PSC" op de Titan-supercomputer, de krachtigste Amerikaanse computer, gehuisvest in de Oak Ridge Leadership Computing Facility van de DOE. De simulatie maakte gebruik van gegevens afkomstig van de experimenten en de resultaten van het model kwamen goed overeen met diagnostische beelden van de schokvorming.

Vooruit gaan, het laboratoriumplatform zal nieuwe studies mogelijk maken naar de relatie tussen botsingsloze schokken en de versnelling van astrofysische deeltjes. Het platform "complementeert huidige teledetectie en ruimtevaartuigobservaties, "De auteurs schreven, en "maakt de weg vrij voor gecontroleerd laboratoriumonderzoek naar schokken met een hoog Mach-getal."