Астрофизические удары теперь воспроизводятся в лаборатории — MIT

Москва, 07:37, 07 Авг 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Лабораторный эксперимент может помочь ученым понять межзвездные и галактические масштабные столкновения.

Огромные межзвездные события, когда облака заряженной материи сталкиваются друг с другом и выбрасывают высокоэнергетические частицы, теперь воспроизводятся в лаборатории с высокой точностью. Работа исследователей Массачусетского технологического института и международной команды коллег должна помочь разрешить давние споры о том, что именно происходит в этих гигантских потрясениях.

Многие из наиболее масштабных событий, такие как расширяющийся пузырь вещества, вылетающего из сверхновой, включают в себя явление, называемое «бесстолкновительным ударом». В этих взаимодействиях облака газа или плазмы настолько разрежены, что большинство вовлеченных частиц фактически далеко друг от друга, но тем не менее они взаимодействуют электромагнитно или другими способами, создавая видимые ударные волны и нити. Эти высокоэнергетические события до сих пор было трудно воспроизвести в лабораторных условиях, что приводит к разногласиям среди физиков относительно механизмов, работающих в этих астрофизических явлениях.

Теперь исследователям удалось воспроизвести критические условия этих бесстолкновительных ударов в лаборатории, что позволило детально изучить процессы, происходящие в этих гигантских космических явениях. Новые результаты описаны в журнале Physical Review Letters.

Практически вся видимая материя во вселенной находится в форме плазмы, своего рода супа из субатомных частиц, где отрицательно заряженные электроны свободно плавают вместе с положительно заряженными ионами вместо того, чтобы быть соединенными друг с другом в форме атомов. Солнце, звезды и большинство облаков межзвездного материала созданы из плазмы.

Большинство этих межзвездных облаков чрезвычайно разреженные, с такой низкой плотностью, что истинные столкновения между составляющими их частицами редки, даже когда одно облако врезается в другое с экстремальными скоростями, которые могут быть намного быстрее, чем 1000 километров в секунду. Тем не менее, результатом может быть удивительно яркая ударная волна, иногда демонстрирующая множество структурных деталей, в том числе длинные висячие нити.

Астрономы обнаружили, что на этих границах удара происходит много изменений, где физические параметры «прыгают». Но расшифровка механизмов, происходящих в бесстолкновительных толчках, была трудной задачей, поскольку сочетание чрезвычайно высоких скоростей и низких плотностей было трудно воссоздать на Земле.

В то время как бесстолкновительные толчки были предсказаны ранее, первой, которая была непосредственно идентифицирована, в 1960-х годах, был удар изгиба, образованный солнечным ветром, тонким потоком частиц, исходящих от Солнца, когда он поражает магнитное поле Земли. Вскоре многие такие удары были замечены астрономами в межзвездном пространстве. Но за прошедшие десятилетия не было экспериментов, чтобы понять, как работают эти процессы.

Ученые нашли способ имитировать явления в лаборатории, генерируя струю плазмы низкой плотности с помощью набора из шести мощных лазерных лучей на лазерной установке OMEGA в Рочестерском университете и направляя ее на полиимидный пластиковый пакет, наполненный газообразным водородом низкой плотности. Результаты воспроизвели многие детальные неустойчивости, наблюдаемые в глубоком космосе, подтверждая тем самым, что условия совпадают достаточно близко, чтобы обеспечить детальное изучение этих неуловимых явлений крупным планом. Величина, называемая средней длиной свободного пробега частиц плазмы, была намного больше ширины ударных волн, что соответствует формальному определению бесстолкновительного удара.

На границе генерируемого лабораторией бесстолкновительного удара плотность плазмы резко возросла. Команда физиков смогла измерить детальные эффекты как на входной, так и на выходной сторонах фронта удара, что позволило им начать дифференцировать механизмы, участвующие в передаче энергии между двумя облаками, на что физики потратили годы, пытаясь выяснить , Результаты согласуются с одним набором предсказаний, основанных на так называемом механизме Ферми, но необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы окончательно исключить некоторые другие механизмы, которые были предложены.

«Впервые мы смогли непосредственно измерить структуру» важных частей бесстолкновительного удара, говорит профессор Ли. «Люди преследуют это в течение нескольких десятилетий».

Исследование также показало, сколько именно энергии передается частицам, которые проходят через границу удара, что ускоряет их до скоростей, которые составляют значительную долю скорости света, производя так называемые космические лучи. Лучшее понимание этого механизма «было целью этого эксперимента, и это то, что мы измерили», говорит Ли, отмечая, что они улавливали полный спектр энергий электронов, ускоренных ударом.

В состав международной команды входили исследователи из Университета Бордо во Франции, Чешской академии наук, российского НИЯУ МИФИ, Российской академии наук, Римского университета, Рочестерского университета, Парижского университета, университета Осаки в Японии и в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Его поддержали Министерство энергетики США и Французское национальное исследовательское агентство.