Terwijl de aarde om de zon draait, het ploegt door een stroom van snel bewegende deeltjes die kunnen interfereren met satellieten en wereldwijde positioneringssystemen. Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Princeton University heeft een proces gereproduceerd dat in de ruimte plaatsvindt om het begrip te verdiepen van wat er gebeurt als de aarde deze zonnewind tegenkomt.

Het team gebruikte computersimulaties om de beweging van een plasmastraal te modelleren, de geladen toestand van materie bestaande uit elektronen en atoomkernen die alle sterren aan de hemel vormen, inclusief onze zon. Veel kosmische gebeurtenissen kunnen plasmastralen produceren, van relatief kleine steroprispingen tot gigantische stellaire explosies die bekend staan ​​als supernova's. Wanneer snel bewegende plasmastralen door het langzamere plasma gaan dat zich in de leegte van de ruimte bevindt, het creëert een zogenaamde schokgolf zonder botsingen.

Deze schokken treden ook op als de aarde door de zonnewind beweegt en kunnen van invloed zijn op hoe de wind in en rond de magnetosfeer van de aarde wervelt, het beschermende magnetische schild dat zich uitstrekt in de ruimte. Het begrijpen van plasmaschokgolven kan wetenschappers helpen om het ruimteweer te voorspellen dat zich ontwikkelt wanneer de zonnewind in de magnetosfeer wervelt en de onderzoekers in staat stellen satellieten te beschermen waarmee mensen over de hele wereld kunnen communiceren.

De simulaties onthulden verschillende veelbetekenende tekens die aangeven wanneer zich een schok vormt, inclusief de kenmerken van de schok, de drie fasen van de vorming van de schok, en verschijnselen die voor een schok kunnen worden aangezien. "Door een schok te kunnen onderscheiden van andere verschijnselen, wetenschappers kunnen erop vertrouwen dat wat ze in een experiment zien, is wat ze in de ruimte willen bestuderen, " zei Derek Schaeffer, een associate research scientist in de Princeton University Department of Astrophysics die het PPPL-onderzoeksteam leidde. De bevindingen werden gerapporteerd in een paper gepubliceerd in Fysica van plasma's dat een vervolg was op eerder onderzoek dat hier en hier is gerapporteerd.

De plasmaschokken die optreden in de ruimte, zoals die gemaakt door de aarde die tegen de zonnewind in reist, lijken op de schokgolven die in de atmosfeer van de aarde worden gecreëerd door supersonische straalvliegtuigen. In beide gevallen, snel bewegend materiaal ontmoet langzaam of stilstaand materiaal en moet snel van snelheid veranderen, het creëren van een gebied van wervelingen en wervelingen en turbulentie.

Maar in de ruimte, de interacties tussen snelle en langzame plasmadeeltjes vinden plaats zonder dat de deeltjes elkaar raken. "Er moet iets anders deze schokformatie aandrijven, zoals de plasmadeeltjes die elkaar elektrisch aantrekken of afstoten, ' zei Schaeffer. 'In ieder geval, het mechanisme wordt niet volledig begrepen."

Om hun begrip te vergroten, natuurkundigen voeren plasma-experimenten uit in laboratoria om de omstandigheden nauwlettend te volgen en nauwkeurig te meten. In tegenstelling tot, metingen genomen door ruimtevaartuigen kunnen niet gemakkelijk worden herhaald en bemonsteren slechts een klein gebied van plasma. Computersimulaties helpen de fysici vervolgens om hun laboratoriumgegevens te interpreteren.

Vandaag, de meeste laboratoriumplasmaschokken worden gevormd met behulp van een mechanisme dat bekend staat als een plasmazuiger. Om de zuiger te maken, wetenschappers schijnen een laser op een klein doelwit. De laser zorgt ervoor dat kleine hoeveelheden van het oppervlak van het doel opwarmen, een plasma worden, en naar buiten bewegen door een omgeving, langzamer bewegend plasma.

Schaeffer en collega's produceerden hun simulatie door dit proces te modelleren. "Denk aan een rotsblok in het midden van een snelstromende stroom, "Zei Schaeffer. "Het water zal tot aan de voorkant van het rotsblok komen, maar kom er niet helemaal uit. Het overgangsgebied tussen snelle beweging en nul [staande] beweging is de schok."

De gesimuleerde resultaten zullen natuurkundigen helpen een astrofysische plasmaschokgolf te onderscheiden van andere omstandigheden die zich voordoen in laboratoriumexperimenten. "Tijdens laserplasma-experimenten, u kunt veel verhitting en compressie waarnemen en denken dat dit tekenen zijn van een schok, "Zei Schaeffer. "Maar we weten niet genoeg over de beginstadia van een schok om alleen uit theorie te weten. Voor dit soort laserexperimenten, we moeten uitzoeken hoe we het verschil kunnen zien tussen een schok en alleen de uitzetting van het lasergestuurde plasma."

In de toekomst, de onderzoekers willen de simulaties realistischer maken door meer details toe te voegen en de plasmadichtheid en temperatuur minder uniform te maken. Ook willen ze experimenten uitvoeren om te bepalen of de verschijnselen die door de simulaties worden voorspeld, ook in een fysiek apparaat kunnen voorkomen. "We willen de ideeën waarover we in de krant praten, testen, ’, zegt Schaeffer.