Enorme interstellaire gebeurtenissen waarbij wolken van geladen materie in elkaar suizen en hoogenergetische deeltjes uitspuwen, zijn nu in het laboratorium met hoge betrouwbaarheid gereproduceerd. Het werk, door MIT-onderzoekers en een internationaal team van collega's, zou moeten helpen bij het oplossen van langdurige geschillen over wat er precies gebeurt in deze gigantische schokken.

Veel van de grootste evenementen, zoals de uitdijende bel van materie die uit een supernova naar buiten raast, een fenomeen dat botsingsloze schok wordt genoemd. Bij deze interacties de wolken van gas of plasma zijn zo ijl dat de meeste betrokken deeltjes elkaar eigenlijk missen, maar ze werken niettemin elektromagnetisch of op andere manieren samen om zichtbare schokgolven en filamenten te produceren. Deze hoogenergetische gebeurtenissen waren tot nu toe moeilijk te reproduceren onder laboratoriumomstandigheden die overeenkomen met die in een astrofysische omgeving, wat leidde tot meningsverschillen onder natuurkundigen over de mechanismen die in deze astrofysische verschijnselen aan het werk zijn.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers zijn erin geslaagd de kritieke omstandigheden van deze botsingsloze schokken in het laboratorium te reproduceren, waardoor een gedetailleerde studie mogelijk is van de processen die plaatsvinden binnen deze gigantische kosmische ineenstortingen. De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , in een paper van MIT Plasma Science and Fusion Center Senior Research Scientist Chikang Li, vijf anderen aan het MIT, en 14 anderen over de hele wereld.

Vrijwel alle zichtbare materie in het heelal heeft de vorm van plasma, een soort soep van subatomaire deeltjes waar negatief geladen elektronen vrij rondzwemmen met positief geladen ionen in plaats van met elkaar verbonden te zijn in de vorm van atomen. De zon, de sterren, en de meeste wolken van interstellair materiaal zijn gemaakt van plasma.

De meeste van deze interstellaire wolken zijn extreem dun, met zo'n lage dichtheid dat echte botsingen tussen hun samenstellende deeltjes zeldzaam zijn, zelfs wanneer de ene wolk tegen de andere botst met extreme snelheden die veel sneller kunnen zijn dan 1, 000 kilometer per seconde. Hoe dan ook, het resultaat kan een spectaculair heldere schokgolf zijn, soms met veel structurele details, waaronder lange achterliggende filamenten.

Astronomen hebben ontdekt dat er veel veranderingen plaatsvinden bij deze schokgrenzen, waar fysieke parameters "springen, " zegt Li. Maar het ontcijferen van de mechanismen die plaatsvinden in botsingsloze schokken was moeilijk, omdat de combinatie van extreem hoge snelheden en lage dichtheden moeilijk te evenaren is op aarde.

Hoewel eerder botsingsloze schokken waren voorspeld, de eerste die direct werd geïdentificeerd, In de jaren 1960, was de boegschok gevormd door de zonnewind, een ijle stroom deeltjes afkomstig van de zon, wanneer het het magnetisch veld van de aarde raakt. Spoedig, veel van dergelijke schokken werden door astronomen in de interstellaire ruimte herkend. Maar in de decennia daarna "Er zijn veel simulaties en theoretische modellering geweest, maar een gebrek aan experimenten" om te begrijpen hoe de processen werken, zegt Li.

Li en zijn collega's hebben een manier gevonden om de verschijnselen in het laboratorium na te bootsen door een straal plasma met lage dichtheid te genereren met behulp van een set van zes krachtige laserstralen. bij de OMEGA-laserfaciliteit aan de Universiteit van Rochester, en richt het op een dunwandige polyimide plastic zak gevuld met waterstofgas met een lage dichtheid. De resultaten reproduceerden veel van de gedetailleerde instabiliteiten die in de verre ruimte werden waargenomen, waarmee wordt bevestigd dat de voorwaarden nauw genoeg overeenkomen om gedetailleerde, close-up studie van deze ongrijpbare verschijnselen. Een hoeveelheid die het gemiddelde vrije pad van de plasmadeeltjes wordt genoemd, werd gemeten als veel groter dan de breedte van de schokgolven, Li zegt, dus voldoet aan de formele definitie van een botsingsloze schok.

Op de grens van de door het lab gegenereerde botsingsloze schok, de dichtheid van het plasma piekte dramatisch. Het team was in staat om de gedetailleerde effecten te meten aan zowel de stroomopwaartse als de stroomafwaartse zijde van het schokfront, waardoor ze kunnen beginnen met het differentiëren van de mechanismen die betrokken zijn bij de overdracht van energie tussen de twee wolken, iets dat natuurkundigen jarenlang hebben geprobeerd te achterhalen. De resultaten komen overeen met een reeks voorspellingen gebaseerd op iets dat het Fermi-mechanisme wordt genoemd, Li zegt, maar verdere experimenten zullen nodig zijn om enkele andere voorgestelde mechanismen definitief uit te sluiten.

"Voor het eerst konden we de structuur" van belangrijke delen van de botsingsloze schok direct meten, zegt Li. "Mensen volgen dit al tientallen jaren."

Het onderzoek toonde ook precies hoeveel energie wordt overgedragen aan deeltjes die door de schokgrens gaan, die ze versnelt tot snelheden die een aanzienlijk deel van de lichtsnelheid zijn, produceren wat bekend staat als kosmische straling. Een beter begrip van dit mechanisme "was het doel van dit experiment, en dat hebben we gemeten", zegt Li, opmerkend dat ze een volledig spectrum van de energieën van de elektronen hebben opgevangen die door de schok worden versneld.

"Dit rapport is het nieuwste deel in een transformatieve reeks experimenten, jaarlijks gerapporteerd sinds 2015, om een ​​werkelijke astrofysische schokgolf na te bootsen voor vergelijking met ruimtewaarnemingen, " zegt Mark Koepke, een professor in de natuurkunde aan de West Virginia University en voorzitter van de Omega Laser Facility User Group, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Computersimulaties, ruimtewaarnemingen, en deze experimenten versterken de fysica-interpretaties die ons begrip van de deeltjesversnellingsmechanismen die in het spel zijn in kosmische gebeurtenissen met hoge energiedichtheid, zoals door gammastraaluitbarstingen geïnduceerde uitstroom van relativistisch plasma, bevorderen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.