Stora interstellära händelser där moln av laddad materia susar in i varandra och spyr ut högenergipartiklar har nu reproducerats i labbet med hög trohet. Arbetet, av MIT-forskare och ett internationellt team av kollegor, borde hjälpa till att lösa långvariga tvister om exakt vad som sker i dessa gigantiska chocker.

Många av de största evenemangen, till exempel den expanderande materiabubblan som susar utåt från en supernova, involvera ett fenomen som kallas kollisionsfri chock. I dessa interaktioner, molnen av gas eller plasma är så sällsynta att de flesta av de inblandade partiklarna faktiskt missar varandra, men de interagerar ändå elektromagnetiskt eller på andra sätt för att producera synliga stötvågor och filament. Dessa högenergihändelser har hittills varit svåra att reproducera under laboratorieförhållanden som speglar de i en astrofysisk miljö, leder till oenighet bland fysiker om de mekanismer som verkar i dessa astrofysiska fenomen.

Nu, forskarna har lyckats återskapa kritiska tillstånd för dessa kollisionsfria stötar i laboratoriet, vilket möjliggör detaljerade studier av processerna som äger rum inom dessa gigantiska kosmiska smashups. De nya fynden beskrivs i tidskriften Fysiska granskningsbrev , i en artikel av MIT Plasma Science and Fusion Center Senior Research Scientist Chikang Li, fem andra på MIT, och 14 andra runt om i världen.

Praktiskt taget all synlig materia i universum är i form av plasma, en sorts soppa av subatomära partiklar där negativt laddade elektroner simmar fritt tillsammans med positivt laddade joner istället för att vara kopplade till varandra i form av atomer. Solen, stjärnorna, och de flesta moln av interstellärt material är gjorda av plasma.

De flesta av dessa interstellära moln är extremt svaga, med så låg densitet att verkliga kollisioner mellan deras ingående partiklar är sällsynta även när ett moln slår in i ett annat med extrema hastigheter som kan vara mycket snabbare än 1, 000 kilometer per sekund. Ändå, resultatet kan bli en spektakulärt ljus chockvåg, ibland uppvisar en hel del strukturella detaljer inklusive långa släpande filament.

Astronomer har funnit att många förändringar äger rum vid dessa chockgränser, där fysiska parametrar "hoppar, "Säger Li. Men det har varit svårt att dechiffrera mekanismerna som sker i kollisionslösa stötar, eftersom kombinationen av extremt höga hastigheter och låga densiteter har varit svår att matcha på jorden.

Även om kollisionsfria stötar hade förutspåtts tidigare, den första som identifierades direkt, på 1960-talet, var bågchocken bildad av solvinden, en svag ström av partiklar som kommer från solen, när den träffar jordens magnetfält. Snart, många sådana stötar kändes igen av astronomer i det interstellära rymden. Men under decennierna sedan, "det har varit många simuleringar och teoretiska modelleringar, men en brist på experiment" för att förstå hur processerna fungerar, säger Li.

Li och hans kollegor hittade ett sätt att efterlikna fenomenen i laboratoriet genom att generera en stråle av lågdensitetsplasma med en uppsättning av sex kraftfulla laserstrålar, vid OMEGA laseranläggning vid University of Rochester, och rikta den mot en tunnväggig polyimidplastpåse fylld med vätgas med låg densitet. Resultaten återgav många av de detaljerade instabiliteter som observerats i rymden, vilket bekräftar att villkoren överensstämmer tillräckligt nära för att möjliggöra detaljerade, närstudie av dessa svårfångade fenomen. En kvantitet som kallas den genomsnittliga fria banan för plasmapartiklarna uppmättes som mycket större än bredden på stötvågorna, Li säger, uppfyller därmed den formella definitionen av en kollisionsfri chock.

Vid gränsen till den labbgenererade kollisionsfria chocken, plasmadensiteten ökade dramatiskt. Teamet kunde mäta detaljerade effekter på både uppströms och nedströms sidor av chockfronten, så att de kan börja särskilja mekanismerna som är involverade i överföringen av energi mellan de två molnen, något som fysiker har ägnat år åt att försöka lista ut. Resultaten överensstämmer med en uppsättning förutsägelser baserade på något som kallas Fermi-mekanismen, Li säger, men ytterligare experiment kommer att behövas för att definitivt utesluta vissa andra mekanismer som har föreslagits.

"För första gången kunde vi direkt mäta strukturen" på viktiga delar av den kollisionslösa chocken, säger Li. "Människor har drivit detta i flera decennier."

Forskningen visade också exakt hur mycket energi som överförs till partiklar som passerar genom chockgränsen, som accelererar dem till hastigheter som är en betydande bråkdel av ljusets hastighet, producerar så kallade kosmiska strålar. En bättre förståelse av denna mekanism "var målet med detta experiment, och det är vad vi mätte, säger Li, noterar att de fångade ett helt spektrum av energierna hos elektronerna som accelererades av chocken.

"Denna rapport är den senaste delen i en omvälvande serie experiment, årligen rapporterat sedan 2015, att efterlikna en verklig astrofysisk chockvåg för jämförelse med rymdobservationer, "säger Mark Koepke, professor i fysik vid West Virginia University och ordförande för Omega Laser Facility User Group, som inte var inblandad i studien. "Datorsimuleringar, rymdobservationer, och dessa experiment förstärker de fysiktolkningar som främjar vår förståelse av partikelaccelerationsmekanismerna i spel i kosmiska händelser med hög energitäthet, såsom gammastrålning-burst-inducerade utflöden av relativistisk plasma."

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.