I hela universum, överljudschockvågor driver fram kosmiska strålar och supernovapartiklar till hastigheter nära ljusets hastighet. Den mest energirika av dessa astrofysiska chocker inträffar för långt utanför solsystemet för att kunna studeras i detalj och har länge förbryllat astrofysiker. Chocker närmare jorden kan upptäckas av rymdfarkoster, men de flyger förbi för snabbt för att undersöka en vågbildning.

Öppnar dörren till ny förståelse

Nu har ett team av forskare genererat de första högenergichockvågorna i en laboratoriemiljö, öppnar dörren till ny förståelse för dessa mystiska processer. "Vi har för första gången utvecklat en plattform för att studera högenergiska stötar med större flexibilitet och kontroll än vad som är möjligt med rymdfarkoster, sa Derek Schaeffer, en fysiker vid Princeton University och US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), och huvudförfattare till en julitidning i Fysiska granskningsbrev som beskriver experimenten.

Schaeffer och kollegor genomförde sin forskning om Omega EP-laseranläggningen vid University of Rochester Laboratory for Laser Energetics. PPPL-fysikern Will Fox samarbetade i projektet. vem designade experimentet, och forskare från Rochester och universiteten i Michigan och New Hampshire. "Detta låter dig förstå utvecklingen av de fysiska processer som pågår inuti chockvågor, " sa Fox om plattformen.

För att producera vågen, forskare använde en laser för att skapa ett högenergiplasma - en form av materia som består av atomer och laddade atompartiklar - som expanderade till en redan existerande magnetiserad plasma. Interaktionen som skapades, inom några miljarddelar av en sekund, en magnetiserad stötvåg som expanderade med en hastighet av mer än 1 miljon miles per timme, kongruent med stötar bortom solsystemet. Den snabba hastigheten representerade ett högt "magnetosonic Mach-tal" och vågen var "kollisionsfri, " efterliknar stötar som uppstår i yttre rymden där partiklar är för långt ifrån varandra för att ofta kollidera.

Upptäckt av en slump

Upptäckten av denna metod för att generera stötvågor kom faktiskt till av en slump. Fysikerna hade studerat magnetisk återkoppling, den process där magnetfältslinjerna i plasma konvergerar, separera och återansluta energiskt. För att undersöka plasmaflödet i experimentet, forskare installerade en ny diagnostik på Rochester laseranläggning. Till deras förvåning, diagnostiken avslöjade en kraftig brantning av plasmadensiteten, som signalerade bildandet av en stötvåg med högt Mach-tal.

För att simulera fynden, forskarna körde en datorkod som heter "PSC" på Titan superdator, den mest kraftfulla amerikanska datorn, inrymt vid DOE:s Oak Ridge Leadership Computing Facility. Simuleringen använde data från experimenten och resultaten av modellen stämde väl överens med diagnostiska bilder av chockbildningen.

Går framåt, laboratorieplattformen kommer att möjliggöra nya studier av sambandet mellan kollisionsfria stötar och accelerationen av astrofysiska partiklar. Plattformen "kompletterar nuvarande fjärranalys och observationer av rymdfarkoster, " skrev författarna, och "öppnar vägen för kontrollerade laboratorieundersökningar av stötar med högt Mach-tal."