Wissenschaftler erstellen erste Laborgeneration von astrophysikalischen Schockwellen

Anonim

Überall im Universum treiben Überschallstoßwellen kosmische Strahlen und Supernova-Teilchen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Die energiereichsten dieser astrophysikalischen Schocks kommen zu weit außerhalb des Sonnensystems vor, um im Detail untersucht zu werden und haben lange Astrophysiker verwirrt. Erschütterungen, die näher an der Erde sind, können von Raumfahrzeugen entdeckt werden, aber sie fliegen zu schnell vorbei, um die Entstehung einer Welle zu untersuchen.

Die Tür zu neuem Verständnis öffnen

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern die ersten hochenergetischen Schockwellen in einem Labor erzeugt und die Tür zu einem neuen Verständnis dieser mysteriösen Prozesse geöffnet. "Wir haben zum ersten Mal eine Plattform entwickelt, um hochenergetische Schocks mit größerer Flexibilität und Kontrolle zu studieren, als es mit Raumfahrzeugen möglich ist", sagte Derek Schaeffer, Physiker an der Princeton University und Princeton Plasma Physics Laboratory des US Department of Energy (DOE) ( PPPL) und Leitautor einer Juli-Arbeit in Physical Review Letters, die die Experimente skizziert.

Schaeffer und Kollegen haben ihre Forschung an der Omega EP-Laseranlage am Labor der Universität von Rochester für Laser-Energetik durchgeführt. An dem Projekt arbeiteten PPPL-Physiker Will Fox, der das Experiment entwarf, und Forscher aus Rochester und den Universitäten von Michigan und New Hampshire. "Damit können Sie die Entwicklung der physikalischen Prozesse in Stoßwellen verstehen", sagte Fox über die Plattform.

Um die Welle zu erzeugen, verwendeten die Wissenschaftler einen Laser, um ein hochenergetisches Plasma zu erzeugen - eine Materieform aus Atomen und geladenen atomaren Teilchen - die sich zu einem bereits vorhandenen magnetisierten Plasma ausbreitete. Die Wechselwirkung erzeugte innerhalb weniger Milliardstelsekunden eine magnetisierte Schockwelle, die sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 1 Million Meilen pro Stunde ausdehnte, kongruent mit Schocks jenseits des Sonnensystems. Die schnelle Geschwindigkeit stellte eine hohe "magnetosonische Machzahl" dar und die Welle war "stoßfrei" und emulierte Stöße, die im Weltraum auftreten, wo Teilchen zu weit voneinander entfernt sind, um häufig zu kollidieren.

Entdeckung durch Zufall

Die Entdeckung dieser Methode zur Erzeugung von Stoßwellen kam tatsächlich zufällig zustande. Die Physiker hatten die magnetische Wiederverbindung untersucht, den Prozess, bei dem die magnetischen Feldlinien im Plasma konvergieren, sich trennen und energetisch neu verbinden. Um den Plasmastrom im Experiment zu untersuchen, installierten die Forscher eine neue Diagnose an der Rochester-Laseranlage. Zu ihrer Überraschung zeigte die Diagnose eine scharfe Versteilung der Dichte des Plasmas, was die Bildung einer Schockwelle mit hoher Machzahl signalisierte.

Um die Ergebnisse zu simulieren, führten die Forscher einen Computercode namens "PSC" auf dem Titan-Supercomputer, dem leistungsfähigsten US-Computer, der in der Oak Ridge Leadership Computing Facility des DOE untergebracht ist, durch. Die Simulation verwendete Daten, die aus den Experimenten abgeleitet wurden, und die Ergebnisse des Modells stimmten gut mit diagnostischen Bildern der Schockbildung überein.

In Zukunft wird die Laborplattform neue Studien über die Beziehung zwischen stoßfreien Stößen und der Beschleunigung astrophysikalischer Teilchen ermöglichen. Die Plattform "ergänzt bestehende Fernerkundungs- und Raumfahrzeugbeobachtungen", schreiben die Autoren und "ebnet den Weg für kontrollierte Laboruntersuchungen von Stößen mit hoher Machzahl."

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