Senior forskare Chikang Li vill experimentera med stjärnorna. Intrigerad av ett märkligt "kink"-fenomen som observerats i krabbnebulosan, ett interstellärt moln av gas och damm som bildades i spåren av en supernovaexplosion, han har letat efter svar. Bilder från Chandra röntgenobservatoriet visar att en plasmastråle som strömmar rakt ut från neutronstjärnan i mitten av nebulosan verkar ändra riktning med några års mellanrum, utan att ändra dess struktur. Varför? Forskare har antagit att magnetfält med rätt egenskaper kan förklara detta beteende, men Li ville ha bevis.

"Hur designar man ett experiment på jorden för att förklara mysterier som händer 6, 500 ljusår bort, och sträcker sig över 13 ljusår av rymden?" frågar han. "Traditionell astrofysik är baserad på observation. Normalt efter att du gjort en observation, du bygger en teoretisk modell, du gör några numeriska simuleringar. Men det är det. Hur kan man gå dit och mäta något? Hur kan du göra ett experiment för att testa den här modellen?"

Li har varit en del av MIT:s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) sedan han blev doktorand 1987. Som en av grundarna och biträdande chefen för PSFC:s High-Energy-Density Physics (HEDP) Division, Li har regelbundet samarbetat med National Ignition Facility och University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics om tröghetsinneslutningsfusion och laboratorie-astrofysiska experiment. Han bestämde sig för att se om han också kunde använda labbets OMEGA-laser för att efterlikna förhållandena i krabbnebulosan, och bevisa hypotesen att magnetiska fält var ansvariga för "kinken i krabban".

Istället för att träna OMEGAs flera laserstrålar på en enda pellets vätebränsle, som han skulle göra för ett fusionsexperiment, Li studsade lasrar bort från två 3 x 3 mm folier som är sammanhängda i en 60-graders vinkel. Använd två laserstrålar för att värma varje sida, han genererade plasmabubblor, eller plymer. Li visste det eftersom de är väldigt täta och varma, dessa plymer skulle omedelbart expandera, kolliderar i mittplanet mellan de två folierna för att bilda en stråle.

Li noterar att även om laboratoriegenererade jetstrålar och astrofysiska jetstrålar har väldigt olika storleksskala, den grundläggande fysiken kan vara densamma eftersom kritiska dimensionslösa parametrar är lika. Som ett resultat, de delar tillräckligt med fysiska egenskaper för att Li ska kunna skala sina laboratorieexperiment, som man skulle göra från en vindtunnel till ett flygplan, till förhållandena i krabbnebulosan.

Medan knäckningen i nebulosans jet inträffar under en period av några år, laboratorieexperimentet skapar en stråle på en nanosekund (miljarddels sekund), som sedan fortplantar sig i fem till sex nanosekunder. Li skrattar när han överväger hastigheten på experimenten:"Du måste generera det, diagnostisera det, karakterisera det, kvantifiera det under den här tidsperioden!"

För att mäta de magnetiska fält som genereras av experimentet, Li använde en monoenergetic proton radiography (MPR) diagnostik som uppfanns av hans division 2005, tillåter honom, genom avböjningen av protonerna, att göra en röntgenbild av fälten. Med de kvantitativa mätningarna i hand, han har kunnat bevisa att nebulosans jetbeteende styrs av svaga magnetfält längs jetstrålen, som håller sin struktur i stort sett rak, och andra magnetfält som cirkulerar runt strålen, som skapar den instabilitet som är ansvarig för riktningsändringen. Resultaten publicerades nyligen i Naturkommunikation .

HEDP-divisionschefen Richard Petrasso noterade vikten av Lis arbete:"Genom hans förståelse av instabiliteter och hans utveckling av MPR-diagnostiken för att kartlägga transienta magnetiska fält i laboratoriet, Chikang har kunnat utforska och förklara, för första gången, sådana förbryllande fenomen som strålningen i krabbnebulosan."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.