Inbäddat i stjärnbilden Oxen, ett skådespel av virvlande kosmiska gaser som mäter ett halvdussin ljusår över glöd i nyanser av smaragd och kastanjebrun. Krabbnebulosan föddes av en supernova, explosionen av en jättestjärna, och nu, en labbmaskin storleken på en dubbeldörr replikerar hur de enorma sprängningarna målar upp de astronomiska virvlarna till existens.

"Den är sex fot hög och ser ut som en stor skiva pizza som är ungefär fyra fot bred på toppen, " sa Ben Musci om supernovamaskinen han byggde för en studie vid Georgia Institute of Technology.

Maskinen är också ungefär lika tunn som en lucka och står vertikalt med spetsen på "pizzan" i botten. En kortfattad detonation i den spetsen driver en sprängvåg mot toppen, och mitt i maskinen, vågen passerar genom två lager av gas, få dem att blandas turbulent till virvlar som de som lämnats av supernovor.

Laserljus lyser upp virvlarna, och genom ett fönster, en höghastighetskamera med en närbildslins fångar skönheten tillsammans med data på en centimeterskala som kan extrapoleras till astronomiska skalor med hjälp av väletablerad fysikmatematik. Att få maskinen att ge resultat användbara för att studera naturen tog två och ett halvt år av tekniska justeringar.

Matcha virvlar

"Vi går plötsligt från en helt stilla kammare till en liten supernova. Det gjordes mycket ingenjörskonst för att begränsa sprängningen och samtidigt göra det realistiskt var den träffar gasgränssnittet i visualiseringsfönstret, " sa Devesh Ranjan, studiens huvudutredare och professor vid Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering.

"Den svåra delen var att felsöka artefakterna som inte var en del av supernovafysiken. Jag tillbringade ett år med att bli av med saker som en extra stötvåg som studsade runt i kammaren eller luft som läckte in från rummet, sa Musci, studiens första författare och doktorand i Ranjans labb. "Jag var också tvungen att se till att gravitationen, bakgrundsstrålning, och temperaturen kastade inte av sig fysiken."

Forskarna publicerar sina resultat i The Astrophysical Journal den 17 juni, 2020. Forskningen finansierades av U.S. Department of Energys Fusion Energy Science-program. Musci planerar att samarbeta med Lawrence Livermore National Laboratory för att jämföra maskinens gasmönster med faktiska data om supernovarester.

Supernovas speciella sprängning

Alla nebulosor är inte rester av supernovor, men många är det. De och andra supernovarester börjar med en massiv stjärna. Stjärnor är kulor av gaser, som är ordnade i lager, och när en stjärna exploderar i en supernova, dessa lager möjliggör bildandet av de vackra virvlarna.

"På utsidan, gaserna har låg densitet och på insidan hög densitet, och mycket djupt i stjärnan, tätheten börjar tvinga samman gaserna för att göra järn i stjärnans kärna, sa Ranjan.

"Efter denna punkt, stjärnan får slut på kärnbränsle, så den yttre kraften som orsakas av kärnfusion slutar balansera den inåtriktade gravitationskraften. Den extrema gravitationen kollapsar stjärnan, " sa Musci.

I mitten av stjärnan, det finns en punktexplosion, som är supernovan. Den skickar en sprängvåg som färdas med ungefär en tiondel av ljusets hastighet som river genom gaserna, klämmer ihop sina lager.

Tyngre gas i de inre lagren sticker turbulenta hällar till lättare gas i de yttre lagren. Sedan bakom sprängvågen, tryckfall, att sträcka ut gaserna tillbaka för en annan typ av turbulent blandning.

"Det är en hård knuff följt av en långdragen dragning eller sträckning, " sa Musci.

Explosiv härmar supernova

Forskarna använde små mängder av en kommersiellt tillgänglig detonator (innehållande RDX, eller forskningsavdelningens explosiva, och PETN, eller pentaerytritoltetranitrat) för att göra den kortfattade miniatyrsprängningen som skickade en ren våg genom gränsytan mellan de tyngre och lättare gaserna i maskinen.

I naturen, sprängvågen går ut sfäriskt i alla riktningar, och Musci uppnådde en partiell representation av dess krökning i maskinens sprängvåg. I naturen och i maskinen, gränssnitten mellan gaserna är fulla av små, ojämna vändningar som kallas störningar, och sprängvågen slår dem i sneda vinklar.

"Det är viktigt för att öka den initiala störningen som leder till turbulens eftersom den ojämnheten sätter ett vridmoment på gränsytan mellan gaslagren, " sa Musci.

Svängningar och krullningar följer för att göra supernovarester, som expanderar i tusentals år till att bli mjukare och mjukare former som rör våra hjärtan med sin prakt. Till fysiker, dessa första vändningar är mycket igenkännliga strukturer som är intressanta att studera:Turbulenta spikar av tung gas som sticker ut i lätt gas, "bubblor" av lätt gas isolerade i områden med tung gas, och lockar som är typiska för tidigt turbulent flöde.

"En av de mest intressanta sakerna vi såg relaterade till ett mysterium om supernovor - de skjuter högdensitetsgas som kallas ejecta way out, som kan bidra till att skapa nya stjärnor. Vi såg en del av denna gasframdrivning i enheten där tung gas spreds långt ut i den lätta gasen, " sa Musci.

Supernovarester expanderar ständigt med hastigheter på hundratals miles per sekund, och den nya maskinen kan hjälpa till att förfina beräkningar av dessa hastigheter och hjälpa till att karakterisera resternas föränderliga former. Krabbnebulosans supernova registrerades år 1054 av kinesiska astronomer, men för många andra rester, maskinen kan också hjälpa till att beräkna deras födelseögonblick.

Tröghetsinneslutningsfusion

Maskinens insikter skulle gälla omvänt för att hjälpa till med utvecklingen av kärnfusionsenergi. Processen som kallas tröghetsinneslutningsfusion applicerar extrem kraft och värme från utsidan och inåt jämnt på ett litet område där två isotoper av vätgas är skiktade på varandra, den ena tätare än den andra.

Skikten tvingas samman tills atomernas kärnor smälter samman, släpper lös energi. Fusionsforskare strävar efter att eliminera turbulent blandning. Det som är vackert i supernovan gör kärnfusion mindre effektiv.