使用世界上一些最强大的激光器来点燃冲击波,以模仿星星作为超级爆炸

超新星残余等离子体激波

为了研究超新星残骸中的强大冲击波,Frederico Fiuza和他的同事在实验室中创造了类似的等离子体冲击波。在这里,计算机模拟揭示了磁场的湍流结构在两个激波相互远离。资料来源:Frederico Fiuza/SLAC国家加速器实验室

在国家点火设施的实验中,斯拉克LED团队发现了一些关于超诺瓦斯如何将带电粒子提升到几乎光速的新细节。

当恒星以超新星的形式爆炸时,它们会在周围的等离子体中产生激波。这些冲击波是如此强大,它们可以充当粒子加速器,以接近光速的速度向宇宙发射粒子流,这些粒子流被称为宇宙射线。然而,它们究竟是如何做到这一点一直是个谜。

现在,科学家们设计出了一种新的方法,通过在实验室中创造一个缩小版的冲击波,来研究天体物理冲击波的内部工作原理。他们发现,天体物理冲击会在非常小的尺度(天文观测无法观测到的尺度)上产生紊流,这有助于在电子被加速到最终的不可思议的速度之前将它们踢向激波。

“这些是令人着迷的系统,但因为它们距离我们太远,所以很难研究它们,”能源部SLAC国家加速器实验室的资深科学家弗雷德里克·菲乌扎(Frederico Fiuza)说,他领导了这项新研究。“我们并不是要在实验室里制造超新星残骸,但我们可以在那里了解更多关于天体物理冲击的物理知识,并验证模型。”

注入的问题

超新星周围的天体物理冲击波与超音速喷流前形成的冲击波和音爆没有什么不同。不同之处在于,当一颗恒星爆炸时,它会在周围的离子和自由电子气体(或等离子体)中形成物理学家所说的无碰撞激波。单个的电子和离子不是像空气分子那样相互碰撞,而是在等离子体内部强烈的电磁场的作用下被迫这样或那样运动。在这个过程中,研究人员已经发现,超新星的残余冲击会产生强大的电磁场,使带电粒子多次穿过冲击,并将它们加速到极限速度。

模仿Supernova残余天体物理休克

为了模拟超新星残骸中的激波,SLAC的研究人员和他们的同事在国家点火装置上向两个碳目标发射了强大的激光,使两个等离子体流相互碰撞。在它们相遇的地方,等离子体形成了类似于天体物理冲击的激波。来源:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室

然而存在问题。颗粒已经必须迅速移动,以便能够首先越过冲击,并且没有人确保将粒子达到速度。解决这个问题的显而易见的方法,称为注射问题,将是研究超级游戏,看看它们周围的等离子体是什么。但是,即使是最近的超级光年之外,也无法简单地指出望远镜并获得足够的细节以了解发生的事情。

幸运的是,他的博士后的博士生Anna Grassi和同事有另外一个想法:他们试图模仿实验室中超新星残留的冲击波条件,所指出的基层的计算机模型可能是可行的。

最重要的是,该团队需要创建一个快速的漫射冲击波,可以模仿超新星残余冲击。他们还需要表明,等离子体的密度和温度以与那些冲击的模型一致的方式增加 - 当然,他们想了解冲击波是否会在非常高的速度下射出电子。

引发了冲击波

为了实现这一目标,研究小组去了国家点火装置,这是位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室的能源部用户设施。在那里,研究人员向一对碳片发射了世界上最强大的激光,产生了一对等离子流,直接相互碰撞。当气流相遇时,光学和x射线观测结果显示出了研究小组正在寻找的所有特征,这意味着他们在实验室中产生了类似于超新星残余冲击波的冲击波。

最重要的是,他们发现当形成冲击时,确实能够将电子加速到几乎光速。它们观察到最大电子速度与基于测量的休克特性预期的加速度一致。然而,这些电子如何达到这些高速的微观细节仍然不清楚。

幸运的是,模型可以帮助揭示一些优点,首先是针对实验数据的基准测试。“我们看不到粒子如何在实验中获得能量的细节,更不用说在天体物理观察中,这就是模拟真正发挥的地方,”基。

事实上,计算机模型揭示了可能解决电子注入问题的方法。Fiuza说,激波内部的紊流电磁场似乎能够提高电子的速度,使粒子能够逃脱激波,并再次穿越回去获得更大的速度。事实上,让粒子以足够快的速度穿过激波的机制似乎与激波让粒子达到天文速度的机制相当相似,只是规模更小。

对未来

然而,问题仍然存在,在未来的实验中,研究人员将详细测量电子被加速时发出的x射线,以研究电子能量如何随距离激波的距离而变化。菲乌扎说,这将进一步限制他们的计算机模拟,并帮助他们开发出更好的模型。也许最重要的是,他们还将研究由激波发射的质子,而不仅仅是电子,研究小组希望这些数据将揭示更多关于这些天体物理粒子加速器内部工作的信息。

更普遍地说,这些发现可以帮助研究人员超越天文观测或基于航天器的观测的局限,以观测太阳系中更为温和的冲击。“这项工作为在实验室中研究超新星遗迹冲击的物理开辟了一条新途径,”Fiuza说。

其他提交人包括来自Lawrence Livermore国家实验室的研究人员;罗切斯特大学;密歇根大学;普林斯顿大学;马萨诸塞州理工学院;加拿大艾伯塔大学;德国弗里德里希亚历山大大学埃尔兰根纽伦堡;牛津大学,英国;和日本大阪大学。该研究得到了能源科学办公室的支持。

Reference: “Electron acceleration in laboratory-produced turbulent collisionless shocks” by F. Fiuza, G. F. Swadling, A. Grassi, H. G. Rinderknecht, D. P. Higginson, D. D. Ryutov, C. Bruulsema, R. P. Drake, S. Funk, S. Glenzer, G. Gregori, C. K. Li, B. B. Pollock, B. A. Remington, J. S. Ross, W. Rozmus, Y. Sakawa, A. Spitkovsky, S. Wilks and H.-S. Park, 8 June 2020,自然物理学
DOI:10.1038 / S41567-020-0919-4

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