Wanneer sterren exploderen als supernova's, ze produceren schokgolven in het plasma dat hen omringt. Zo krachtig zijn deze schokgolven, ze kunnen fungeren als deeltjesversnellers die deeltjesstromen opblazen, kosmische straling genoemd, met bijna de lichtsnelheid het heelal in. Maar hoe ze dat precies doen, is een beetje een mysterie gebleven.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben een nieuwe manier bedacht om de innerlijke werking van astrofysische schokgolven te bestuderen door een verkleinde versie van de schok in het laboratorium te creëren. Ze ontdekten dat astrofysische schokken turbulentie ontwikkelen op zeer kleine schalen - schalen die niet kunnen worden gezien door astronomische waarnemingen - die helpen elektronen naar de schokgolf te schoppen voordat ze worden opgevoerd tot hun definitieve, ongelooflijke snelheden.

"Dit zijn fascinerende systemen, maar omdat ze zo ver weg zijn, is het moeilijk om ze te bestuderen, " zei Frederico Fiuza, een senior stafwetenschapper bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, die de nieuwe studie leidde. "We proberen geen supernovaresten te maken in het laboratorium, maar we kunnen daar meer leren over de fysica van astrofysische schokken en modellen valideren."

Het injectieprobleem

Astrofysische schokgolven rond supernova's zijn niet anders dan de schokgolven en sonische knallen die zich vormen voor supersonische jets. Het verschil is dat wanneer een ster ontploft, het vormt wat natuurkundigen een botsingsloze schok noemen in het omringende gas van ionen en vrije elektronen, of plasma. In plaats van elkaar tegen te komen zoals luchtmoleculen zouden doen, individuele elektronen en ionen worden op deze manier en dat gedwongen door intense elektromagnetische velden in het plasma. In het proces, onderzoekers hebben uitgewerkt, Supernovarestschokken produceren sterke elektromagnetische velden die geladen deeltjes meerdere keren over de schok heen laten stuiteren en ze tot extreme snelheden versnellen.

Toch is er een probleem. De deeltjes moeten al behoorlijk snel bewegen om de schok als eerste te kunnen passeren, en niemand weet zeker wat de deeltjes op snelheid brengt. De voor de hand liggende manier om dat probleem aan te pakken, bekend als het injectieprobleem, zou zijn om supernova's te bestuderen en te zien wat de plasma's eromheen van plan zijn. Maar met zelfs de dichtstbijzijnde supernova's op duizenden lichtjaren afstand, het is onmogelijk om er gewoon een telescoop op te richten en genoeg details te krijgen om te begrijpen wat er aan de hand is.

Gelukkig, Fiuza, zijn postdoctorale collega Anna Grassi en collega's hadden een ander idee:ze zouden proberen de schokgolfcondities van supernovaresten in het laboratorium na te bootsen, iets wat Grassi's computermodellen aangaven, zou haalbaar kunnen zijn.

Het meest significant, het team zou een snelle, diffuse schokgolf die supernovarestschokken zou kunnen imiteren. Ze zouden ook moeten aantonen dat de dichtheid en temperatuur van het plasma zijn toegenomen op manieren die consistent zijn met modellen van die schokken - en, natuurlijk, ze wilden begrijpen of de schokgolf elektronen met zeer hoge snelheden zou afschieten.

Een schokgolf ontsteken

Om zoiets te bereiken, het team ging naar de National Ignition Facility, een DOE-gebruikersfaciliteit in het Lawrence Livermore National Laboratory. Daar, de onderzoekers schoten enkele van 's werelds krachtigste lasers op een paar carbonplaten, het creëren van een paar plasmastromen die recht in elkaar lopen. Toen de stromen elkaar ontmoetten, optische en röntgenobservaties onthulden alle functies waar het team naar op zoek was, wat betekent dat ze in het laboratorium een ​​schokgolf hadden geproduceerd in omstandigheden die vergelijkbaar waren met een schok van een supernovarest.

Het belangrijkste is, ze ontdekten dat toen de schok werd gevormd, deze inderdaad in staat was elektronen te versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Ze observeerden maximale elektronensnelheden die consistent waren met de versnelling die ze verwachtten op basis van de gemeten schokeigenschappen. Echter, de microscopische details van hoe deze elektronen deze hoge snelheden bereikten, bleven onduidelijk.

Gelukkig, de modellen zouden kunnen helpen om enkele van de fijne punten te onthullen, eerst gebenchmarkt met experimentele gegevens. "We kunnen de details niet zien van hoe deeltjes hun energie krijgen, zelfs niet in de experimenten, laat staan ​​in astrofysische waarnemingen, en dit is waar de simulaties echt van pas komen, ' zei Grassi.

Inderdaad, het computermodel onthulde wat een oplossing zou kunnen zijn voor het elektroneninjectieprobleem. Turbulente elektromagnetische velden in de schokgolf zelf lijken de elektronensnelheden te kunnen verhogen tot het punt waarop de deeltjes aan de schokgolf kunnen ontsnappen en weer terug kunnen gaan om nog meer snelheid te krijgen, zei Fiuza. In feite, het mechanisme dat ervoor zorgt dat deeltjes snel genoeg gaan om de schokgolf over te steken lijkt redelijk te lijken op wat er gebeurt als de schokgolf deeltjes tot astronomische snelheden krijgt, alleen op kleinere schaal.

Op weg naar de toekomst

Er blijven vragen, echter, en in toekomstige experimenten zullen de onderzoekers gedetailleerde metingen doen van de röntgenstralen die door de elektronen worden uitgezonden op het moment dat ze worden versneld om te onderzoeken hoe elektronenenergieën variëren met de afstand tot de schokgolf. Dat, Fiuza zei, zullen hun computersimulaties verder inperken en hen helpen nog betere modellen te ontwikkelen. En misschien wel het belangrijkste, ze zullen ook kijken naar protonen, niet alleen elektronen, afgevuurd door de schokgolf, gegevens waarvan het team hoopt dat ze meer zullen onthullen over de innerlijke werking van deze astrofysische deeltjesversnellers.

Algemener, de bevindingen kunnen onderzoekers helpen om verder te gaan dan de beperkingen van astronomische observaties of op ruimtevaartuigen gebaseerde observaties van de veel tamere schokken in ons zonnestelsel. "Dit werk opent een nieuwe manier om de fysica van supernovarestschokken in het laboratorium te bestuderen, ' zei Fiuza.