Het mysterie waarom kometen die door de ruimte reizen röntgenstraling afgeven, is opgelost dankzij nieuw onderzoek dat is uitgevoerd door een team met wetenschappelijk personeel van STFC's Central Laser Facility (CLF) en RAL Space.

Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd waarom kometen röntgenstralen kunnen uitstralen, aangezien röntgenstraling normaal gesproken wordt geassocieerd met hete objecten zoals de zon, maar kometen tot de koudste objecten in het zonnestelsel behoren.

Wanneer kometen door het zonnestelsel reizen, hebben ze een wisselwerking met de zonnestraling, de zonnewind en het magnetische veld van de zon. Deze interactie produceert een zichtbare atmosfeer of coma rond de komeet en de waargenomen komeetstaart, en produceert in sommige gevallen röntgenstralen. Deze röntgenstralen worden gegenereerd aan de zonwaartse kant van de komeet, waar de zonnewind inslaat op de atmosfeer van de komeet en een boogschok vormt.

Om te onderzoeken hoe röntgenstraling door een komeet kan worden uitgezonden, een team van wetenschappers van 15 onderzoeksinstituten voerde experimenten uit in de LULI-laserfaciliteit in Parijs, waar ze de interactie van de zonnewind met een komeet nabootsten.

Het STFC-team dat bij het project betrokken was, speelde een belangrijke rol bij het bedenken van het wetenschappelijke model voor de interactie van de zonnewind met de komeet. Dit omvatte het theoretische model voor het genereren van plasmaturbulentie, de versnelling van elektronen door de turbulentie en de röntgenstraling van de versnelde elektronen. Het STFC-team ondersteunde ook een team van de Universiteit van Oxford bij numerieke simulaties en ondernam de fabricage van het doel.

Professor Bob Bingham van CLF leidde het STFC-team dat bij het project betrokken was en zei:

"Deze experimentele resultaten zijn belangrijk omdat ze direct laboratoriumbewijs leveren dat objecten die door gemagnetiseerde plasma's bewegen, plaatsen kunnen zijn van elektronenversnelling - een zeer algemene situatie in de astrofysica die niet alleen in kometen plaatsvindt, maar ook in planetaire magnetosferen, zoals onze eigen aarde, of zelfs in supernovaresten, waar het uitgestoten materiaal over het interstellaire gas beweegt. De experimenten bevestigen ook theoretische modellen die door het team zijn ontwikkeld."

Andere leden van het STFC-team waren Dr. Raoul Trines en Chris Spindloe van CLF en Dr. Ruth Bamford van STFC's RAL Space-faciliteit.

Voor Dr. Raoul Trines van CLF was het hoogtepunt van het project het reproduceren van een natuurkracht

"Als theoreticus vind ik het verbazingwekkend dat het mogelijk is om astrofysische fenomenen in het laboratorium op een verstandige manier te repliceren, om ons fysieke begrip van wat de natuur uitspookt te testen".

Voor de experimenten vuurde het onderzoeksteam laserstralen af ​​op een plastic folie, die ontplofte, waardoor een stroom van elektronen en ionen wordt verdreven, het vormen van een snelle stroom van geïoniseerd gas (plasma) zoals de zonnewind. Deze 'plasmastroom' sloeg vervolgens op een vaste bol, de zogenaamde laboratorium `komeet', op bijna een centimeter afstand van de plastic folie geplaatst, lijkt op wat er gebeurt als een echte komeet door het zonnestelsel gaat. Het bleek dat elektronen door plasmaturbulentie in het stroomopwaartse plasma tot ongeveer een miljoen graden worden verwarmd.

Deze hete elektronen zijn verantwoordelijk voor het uitzenden van röntgenstralen, maar alleen in de aanwezigheid van een magnetisch veld.

Dit werk werpt ook licht op een mysterie van kosmische straling dat bekend staat als het injectieprobleem. Het wordt algemeen erkend dat van sterke schokgolven wordt verwacht dat ze deeltjes versnellen tot zeer hoge energieën, echter, ze hebben een bron van deeltjes nodig die snel genoeg is om de schok te passeren, het injectieprobleem. Elke keer dat de deeltjes de schok passeren, winnen ze energie. Dit laatste experiment toont duidelijk aan dat plasmaturbulentie een bron kan zijn van snelle deeltjes die het injectieprobleem overwinnen.

Vanuit het oogpunt van de ruimtewetenschap, dit onderzoek is belangrijk geweest voor een beter begrip van de mechanismen die kosmische straling creëren. De gevaarlijkste kosmische straling zijn de energetische deeltjes van de zon of van buiten het zonnestelsel. Ze kunnen zelfs door dikke muren heen dringen als kleine kogels en vormen een zeer ernstig gevaar voor zowel astronauten als ruimtevaartuigtechnologie. Miljarden ponden kunnen in gevaar komen als gevolg van schade door ruimteweer (zoals bekend) satellieten. Astronauten op langdurige missies buiten de magnetosfeer van de aarde kunnen levensbedreigende doses straling van dergelijke deeltjes ontvangen. Om ze te beschermen, moeten we begrijpen hoe deze straling wordt gecreëerd, zodat we het kunnen voorspellen en waarschuwingen kunnen geven of er zelfs tegen kunnen beschermen met behulp van soortgelijke mechanismen als die welke het hebben gecreëerd.

Een laboratoriumexperiment als dit stelt ons in staat om ons begrip te testen van hoe kosmische straling wordt versneld tot zulke hoge energieën, in een gecontroleerde omgeving. Iets wat niet gemakkelijk direct in de ruimte te doen is.

Het artikel is gepubliceerd in Natuurfysica .