科學家在實驗室製造微型超新星激波:模擬粒子加速

6月16日消息,在一項新研究中,研究人員在實驗室里創造了微型的超新星激波,希望解決一個困擾科學家已久的宇宙之謎。當恆星死亡並以超新星的形式爆發時,會在周圍的等離子體中產生強大的激波,將宇宙射線或高能粒子噴射到宇宙中。激波就如同粒子加速器,可以使高能粒子的噴射速度達到接近光速的水平。然而,科學家還沒有完全了解激波是如何加速這些粒子的。

科學家在實驗室製造微型超新星激波:模擬粒子加速

這張計算機模擬圖片顯示了在兩個相互遠離的激波中磁場的湍流結構

美國能源部SLAC國家加速器實驗室的資深科學家弗雷德里科·菲烏扎(Frederico Fiuza)領導了這項新研究,他說:「這些(超新星)是令人着迷的系統,但由於它們距離太遠,很難進行研究。」

因此,為了更好地研究這些宇宙沖擊波,科學家們開始嘗試在地球上進行重現。研究人員已經創造了一個超新星殘骸的微型版本。「我們並不是要在實驗室中製造超新星殘骸,但我們可以從中了解更多關於天體物理激波的物理知識,並驗證數據模型,」菲烏扎在聲明中說道。

科學家在實驗室製造微型超新星激波:模擬粒子加速

  錢德拉X射線天文台拍攝的第谷超新星殘骸圖像,生動揭示了產生這個深空天體爆發的動力學過程。該圖片發布於2014年7月22日

菲烏扎和同事們致力於創造一種快速擴散的沖擊波,可以模擬超新星爆發後的激波。他們在加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置工作,在那里,他們向碳薄片發射強大的激光,產生兩個相互瞄準的等離子體流。據介紹,當兩個等離子體流碰撞時,它們「在類似超新星遺跡激波的條件下」產生了一種沖擊波。研究人員利用光學和X射線技術對該實驗進行了觀察。

通過分析實驗室里製造出的微型超新星激波,研究人員證實了這種激波能夠將電子加速至接近光速。然而,這些電子如何達到如此告訴仍然是一個謎,這促使科學家轉向計算機建模。研究小組成員安娜·格拉希(Anna Grassi)說:「即使在實驗中,我們也無法看到粒子如何獲得能量的細節,更不用說在天體物理觀測中了,而這正是模擬實驗真正發揮作用的地方。」

現在,盡管激波加速粒子的宇宙之謎仍然未解,但格拉希創建的計算機模型揭示了一個可能的答案。根據這些模型,格拉希提出,激波中的湍流電磁場似乎可以將電子加速到所觀察到的極高速度。

研究人員將繼續研究加速電子發出的X射線,並不斷完善計算機模擬實驗。除了這項工作中研究的電子之外,未來的其他研究還將涉及同樣在激波中噴射而出的帶正電荷的質子。這項研究的詳細結果發表在6月8日的《自然-物理》(Nature Physics)雜誌上。(任天)

來源:cnBeta