Att förstå den termonukleära explosionen av supernovor av typ Ia - kraftfulla och lysande stjärnexplosioner - är endast möjligt genom teoretiska modeller, som tidigare inte kunde förklara mekanismen som detonerade explosionen.

En av nyckeldelarna i denna explosion, finns i praktiskt taget alla modeller, är bildandet av en överljudsreaktionsvåg som kallas detonation, som kan färdas snabbare än ljudets hastighet och kan bränna upp allt material i en stjärna innan det sprids ut i rymdens vakuum.

Men, fysiken för de mekanismer som skapar en detonation i en stjärna har varit svårfångad.

Nu, ett team av forskare från University of Connecticut, Texas A&M University, University of Central Florida, Naval Research Laboratory, och Air Force Research Laboratory har utvecklat en teori som kastar ljus över den gåtfulla processen för detonationsbildning i hjärtat av dessa anmärkningsvärda astronomiska händelser.

Forskningen, publicerad 1 nov in Vetenskap , ger en kritisk förståelse för denna fysiska process både i stjärnor och även i kemiska system på jorden. Det leddes av Alexei Poludnenko, UConn School of Engineering och Texas A&M University; i samarbete med Jessica Chambers och Kareem Ahmed, University of Central Florida; Vadim Gamezo, sjöforskningslaboratoriet; och Brian Taylor, flygvapnets forskningslaboratorium.

För första gången, forskare kunde demonstrera processen för detonationsbildning från en långsam subsonisk låga med hjälp av både experiment och numeriska simuleringar utförda på några av de största superdatorerna i landet. De tillämpade också framgångsrikt resultaten för att förutsäga villkoren för detonationsbildning i ett av de klassiska teoretiska scenarierna för typ Ia supernovaexplosion.

Supernovaexplosioner av typ Ia inträffar när kol och syre packas till en densitet av cirka 1, 000 ton per kubikcentimeter i stjärnkärnan brinner snabbt, termonukleära reaktioner. Den resulterande explosionen stör en stjärna på några sekunder och skjuter ut det mesta av dess massa samtidigt som den avger en mängd energi som är lika med den energi som stjärnan sänder ut under hela dess livstid.

Vanligtvis, för att bilda en detonation, bränning måste ske i en begränsad miljö med väggar, hinder, eller gränser, som kan begränsa tryckvågor som frigörs genom förbränning.

När trycket stiger, stötvågor bildas, som kan växa i styrka till en punkt när de kan komprimera den reagerande blandningen och antända den och producera en självuppehållande överljudsfront. Stjärnor har inga väggar eller hinder, vilket gör bildandet av en detonation gåtfull.

I den här studien, teamet utvecklade en enhetlig teori om turbulens-inducerad deflagration-till-detonation som beskriver mekanismen och villkoren för att initiera detonation både i obegränsade kemiska och termonukleära explosioner.

Enligt teorin, om man tar reaktiv blandning, som förbränner och frigör energi, och rör upp den för att skapa intensiv turbulens, en katastrofal instabilitet kan resultera och skulle snabbt öka trycket i systemet, vilket ger starka stötar och tänder en detonation. Anmärkningsvärt nog förutspår denna teori förutsättningarna för detonationsbildning i supernovor av typ Ia.

Forskare kunde få insikt i de grundläggande aspekterna av de fysiska processer som styr supernovexplosioner eftersom termonukleära förbränningsvågor liknar kemiska förbränningsvågor på jorden genom att de styrs av samma fysiska mekanismer.

På grund av likheterna, fynden kan tillämpas på olika markbaserade förbränningssystem där detonationer kan bildas, till exempel i samband med industriolyckor med gasexplosioner, såväl som nya tillämpningar för framdrivning och energiomvandling, såsom detonationsbaserade motorer.