Cuando las estrellas explotan como supernovas, producen ondas de choque en el plasma que las rodea. Tan potentes son estas ondas de choque que pueden actuar como aceleradores de partículas que lanzan corrientes de partículas, llamadas rayos cósmicos, hacia el universo a casi la velocidad deluz. Sin embargo, cómo exactamente hacen eso sigue siendo un misterio.
Ahora, los científicos han ideado una nueva forma de estudiar el funcionamiento interno de las ondas de choque astrofísicas creando una versión reducida del choque en el laboratorio. Descubrieron que los choques astrofísicos desarrollan turbulencias a escalas muy pequeñas, escalas que pueden "No se verá por observaciones astronómicas, lo que ayuda a impulsar los electrones hacia la onda de choque antes de que aumenten a sus increíbles velocidades finales.
"Estos son sistemas fascinantes, pero debido a que están tan lejos es difícil estudiarlos", dijo Frederico Fiuza, científico sénior del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, que dirigió el nuevo estudio. "No somostratando de hacer restos de supernova en el laboratorio, pero podemos aprender más sobre la física de los choques astrofísicos allí y validar modelos ".
El problema de inyección
Las ondas de choque astrofísicas alrededor de las supernovas no son diferentes a las ondas de choque y las explosiones sónicas que se forman frente a los chorros supersónicos. La diferencia es que cuando una estrella explota, se forma lo que los físicos llaman un choque sin colisión en el gas circundante de iones y electrones libres, o plasma. En lugar de chocar entre sí como lo harían las moléculas de aire, los electrones e iones individuales son forzados de esta manera y por campos electromagnéticos intensos dentro del plasma. En el proceso, los investigadores han trabajado, los choques remanentes de supernovas producen fuertes campos electromagnéticos quehacer rebotar partículas cargadas a través del choque varias veces y acelerarlas a velocidades extremas.
Sin embargo, hay un problema. Las partículas ya tienen que moverse bastante rápido para poder cruzar el choque en primer lugar, y nadie está seguro de qué hace que las partículas se aceleren. La forma obvia de abordar ese problema, conocida como laEl problema de la inyección sería estudiar supernovas y ver qué hacen los plasmas que las rodean. Pero incluso con las supernovas más cercanas a miles de años luz de distancia, es imposible simplemente apuntar un telescopio hacia ellas y obtener suficientes detalles para comprender lo que está sucediendo.
Afortunadamente, Fiuza, su compañera posdoctoral Anna Grassi y sus colegas tuvieron otra idea: tratarían de imitar las condiciones de onda de choque de los restos de supernova en el laboratorio, algo que los modelos de computadora de Grassi indicaron que podría ser factible.
Lo más importante es que el equipo necesitaría crear una onda de choque rápida y difusa que pudiera imitar los choques remanentes de supernovas. También tendrían que demostrar que la densidad y la temperatura del plasma aumentaron de manera consistente con los modelos de esos choques, yPor supuesto, querían entender si la onda de choque dispararía electrones a velocidades muy altas.
Encender una onda de choque
Para lograr algo así, el equipo fue a la Instalación Nacional de Encendido, una instalación de usuarios del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Allí, los investigadores dispararon algunos de los láseres más potentes del mundo en un par de láminas de carbono, creando un par delos flujos de plasma se dirigieron directamente el uno al otro. Cuando los flujos se encontraron, las observaciones ópticas y de rayos X revelaron todas las características que el equipo estaba buscando, lo que significa que habían producido en el laboratorio una onda de choque en condiciones similares a un choque remanente de supernova.
Lo más importante, descubrieron que cuando se formó el choque, de hecho, era capaz de acelerar los electrones a casi la velocidad de la luz. Observaron velocidades máximas de los electrones que eran consistentes con la aceleración que esperaban en función de las propiedades de choque medidas. Sin embargo, ellos detalles microscópicos de cómo estos electrones alcanzaron estas altas velocidades no estaban claros.
Afortunadamente, los modelos podrían ayudar a revelar algunos de los puntos finos, después de haber sido comparados con los datos experimentales. "No podemos ver los detalles de cómo las partículas obtienen su energía incluso en los experimentos, y mucho menos en observaciones astrofísicas, y estoes donde realmente entran en juego las simulaciones ", dijo Grassi.
De hecho, el modelo de computadora reveló lo que podría ser una solución al problema de la inyección de electrones. Los campos electromagnéticos turbulentos dentro de la onda de choque en sí misma parecen ser capaces de aumentar la velocidad de los electrones hasta el punto en que las partículas pueden escapar de la onda de choque y cruzar de regresoDe nuevo, para ganar aún más velocidad, dijo Fiuza. De hecho, el mecanismo que hace que las partículas vayan lo suficientemente rápido como para cruzar la onda de choque parece ser bastante similar a lo que sucede cuando la onda de choque eleva las partículas a velocidades astronómicas, solo en una escala más pequeña.
Hacia el futuro
Sin embargo, quedan preguntas, y en futuros experimentos los investigadores harán mediciones detalladas de los rayos X emitidos por los electrones en el momento en que se aceleran para investigar cómo varían las energías de los electrones con la distancia de la onda de choque. Eso, dijo Fiuza, serálimitan aún más sus simulaciones por computadora y los ayudan a desarrollar modelos aún mejores. Y quizás lo más importante es que también verán protones, no solo electrones, disparados por la onda de choque, datos que el equipo espera revelarán más sobre el funcionamiento interno de estosaceleradores de partículas astrofísicas
En términos más generales, los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a ir más allá de las limitaciones de las observaciones astronómicas u observaciones basadas en naves espaciales de los choques mucho más domesticados en nuestro sistema solar ". Este trabajo abre una nueva forma de estudiar la física de los choques remanentes de supernovas en ellaboratorio ", dijo Fiuza.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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