Hoogenergetische schokgolven aangedreven door zonnevlammen en coronale massa-ejecties van plasma van de zon barsten uit door het hele zonnestelsel, het ontketenen van magnetische ruimtestormen die satellieten kunnen beschadigen, mobiele telefoondiensten verstoren en elektriciteitsnetten op aarde uitschakelen. Ook het aandrijven van hoogenergetische golven is het zonnewind-plasma dat constant uit de zon stroomt en het beschermende magnetische veld van de aarde opheft.

Nu hebben experimenten geleid door onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Princeton Center for Heliophysics voor het eerst het proces achter de bron van dergelijke schokken gereproduceerd. De bevindingen overbruggen de kloof tussen laboratorium- en ruimtevaartuigobservaties en bevorderen het begrip van hoe het universum werkt.

Plotselinge sprongen

de experimenten, gerapporteerd in Fysieke beoordelingsbrieven , laten zien hoe de interactie van plasma - de toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, of ionen - kunnen plotselinge sprongen in plasmadruk en magnetische veldsterkte veroorzaken die deeltjes kunnen versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Dergelijke schokken zijn "botsingsloos" omdat ze worden gevormd door de interactie van golven en plasmadeeltjes in plaats van door botsingen tussen de deeltjes zelf.

Het onderzoek leverde een meting op van de volledige aanloop naar schokken. "Directe meting is een elegante manier om te zien hoe de deeltjes bewegen en op elkaar inwerken, " zei natuurkundige Derek Schaeffer van PPPL en Princeton University, die het onderzoek leidde. "Ons artikel laat zien dat we een krachtige diagnostiek kunnen gebruiken om de deeltjesbewegingen te bestuderen die tot schokken leiden."

Het onderzoek, uitgevoerd op de Omega-laserfaciliteit aan de Universiteit van Rochester, produceerde een lasergestuurd plasma - een "zuigerplasma" genoemd - dat zich met een supersonische snelheid van meer dan een miljoen mijl per uur uitbreidde door een reeds bestaand omgevingsplasma. De expansie versnelde ionen in het omringende plasma tot snelheden van ongeveer een half miljoen mijl per uur, het simuleren van de voorloper van botsingsloze schokken die zich overal in de kosmos voordoen.

Het onderzoek verliep in verschillende fasen:

• Eerst, creatie van het zuigerplasma reproduceerde de supersonische plasma's die zich in de ruimte vormen. De zuiger werkte als een sneeuwploeg, het opvegen van ionen in het omringende plasma ingebed in een magnetisch veld.
• Naarmate meer van deze ionen werden opgeveegd, ze vormden een barrière die de zuiger ervan weerhield verder te werken. "Als je eenmaal genoeg 'sneeuw' hebt opgestapeld, de schok ontkoppelt van de zuiger, ', aldus Scheffer.
• De gestopte zuiger gaf de vorming van de schok door aan het sterk gecomprimeerde gemagnetiseerde plasma, die aanleiding gaf tot de plotselinge botsingloze sprong.

Onderzoekers gebruikten een diagnose genaamd Thompson-verstrooiing om deze ontwikkelingen te volgen. De diagnose detecteert laserlicht dat wordt verstrooid door de elektronen in plasma, waarmee de temperatuur en dichtheid van de elektronen en de snelheid van de stromende ionen kunnen worden gemeten. De resultaten, de auteurs schrijven, laten zien dat laboratoriumexperimenten het gedrag van plasmadeeltjes in de voorloper van botsingsloze astrofysische schokken kunnen onderzoeken, "en kan aanvullen, en in sommige gevallen de beperkingen van soortgelijke metingen die door ruimtevaartuigmissies worden uitgevoerd, overwinnen."

Uiteindelijke doel

Hoewel dit onderzoek het proces reproduceerde dat schokken veroorzaakt, het uiteindelijke doel is om de schokversnelde deeltjes zelf te meten. Voor die stap, zei Schaeffer, "dezelfde diagnose kan worden gebruikt zodra we het vermogen hebben ontwikkeld om sterk genoeg schokken te veroorzaken. Als een bonus, " hij voegt toe, "deze diagnose is vergelijkbaar met hoe ruimtevaartuigen deeltjesbewegingen in ruimteschokken meten, zodat toekomstige resultaten direct kunnen worden vergeleken."