Mysteriet med varför kometer som färdas genom rymden avger röntgenstrålning har lösts tack vare ny forskning gjord av ett team som inkluderade forskarpersonal från STFC:s Central Laser Facility (CLF) och RAL Space.

Forskare har länge undrat varför kometer kan utstråla röntgenstrålar, med tanke på att röntgenstrålar normalt är förknippade med heta objekt som solen men kometer är bland de kallaste objekten i solsystemet.

När kometer färdas genom solsystemet interagerar de med solstrålningen, Solvinden och Solens magnetfält. Denna interaktion producerar en synlig atmosfär eller koma runt kometen och den observerade kometsvansen, och i vissa fall producerar röntgenstrålar. Dessa röntgenstrålar genereras på solsidan av kometen där solvinden påverkar kometatmosfären och bildar en bågchock.

För att undersöka hur röntgenstrålar kan sändas ut från en komet, ett team av forskare från 15 forskningsinstitut utförde experiment vid LULI-laseranläggningen i Paris där de replikerade solvindens interaktion med en komet.

STFC-teamet som var involverat i projektet var avgörande för att ta fram den vetenskapliga modellen för solvindens interaktion med kometen. Detta inkluderade den teoretiska modellen för generering av plasmaturbulens, accelerationen av elektroner genom turbulensen och röntgenstrålningen från de accelererade elektronerna. STFC-teamet stödde också ett team från University of Oxford i numeriska simuleringar och genomförde måltillverkningen.

CLF:s professor Bob Bingham ledde STFC-teamet som var involverat i projektet och sa

"Dessa experimentella resultat är viktiga eftersom de ger direkta laboratoriebevis för att objekt som rör sig genom magnetiserade plasma kan vara platser för elektronacceleration - en mycket allmän situation inom astrofysik som inte bara äger rum i kometer, men också i planetariska magnetosfärer, som vår egen jord, eller till och med i supernovarester, där det utstötade materialet rör sig över den interstellära gasen. Experimenten bekräftar också teoretiska modeller som utvecklats av teamet."

Andra medlemmar i STFC-teamet inkluderade CLF:s Dr. Raoul Trines och Chris Spindloe och från STFC:s RAL Space-anläggning Dr. Ruth Bamford.

För CLF:s Dr. Raoul Trines var projektets höjdpunkt att återskapa en naturkraft

"Som teoretiker tycker jag att det är fantastiskt att det är möjligt att förnuftigt replikera astrofysiska fenomen i laboratoriet, att testa vår fysiska förståelse av vad naturen hittar på”.

För experimenten avfyrade forskargruppen laserstrålar på en plastfolie, som exploderade, får en ström av elektroner och joner att drivas ut, bildar ett höghastighetsflöde av joniserad gas (plasma) som solvinden. Detta "plasmaflöde" träffade sedan en fast sfär, den så kallade laboratoriekometen, placeras nästan en centimeter från plastfolien, liknar vad som händer när en riktig komet passerar genom solsystemet. Det visade sig att elektroner värms upp till ungefär en miljon grader i uppströmsplasman genom plasmaturbulens.

Dessa heta elektroner är ansvariga för att sända ut röntgenstrålar men endast i närvaro av ett magnetfält.

Detta arbete kastar också ljus över ett kosmiskt strålmysterium som kallas injektionsproblemet. Det är allmänt erkänt att starka stötvågor förväntas accelerera partiklar till mycket höga energier, dock, de kräver en partikelkälla som är tillräckligt snabb för att passera chocken, injektionsproblemet. Varje gång partiklarna passerar chocken får de energi. Detta senaste experiment visar tydligt att plasmaturbulens kan ge en källa till snabba partiklar som övervinner injektionsproblemet.

Ur rymdvetenskapens synvinkel, denna forskning har varit viktig för att bättre förstå mekanismerna som skapar kosmiska strålar. De mest farliga kosmiska strålarna är de energiska partiklarna antingen från solen eller utanför solsystemet. De kan penetrera även tjocka väggar som små kulor och utgöra en mycket allvarlig fara för både astronauter och rymdfarkoster. Miljarder pund kan vara i riskzonen på grund av att rymdväder (som det kallas) skadar satelliter. Astronauter på långtidsuppdrag utanför jordens magnetosfär kan få livshotande doser av strålning från sådana partiklar. För att skydda dem måste vi förstå hur denna strålning skapas så att vi kan förutsäga den och ge varningar eller till och med skydda mot den med liknande mekanismer som den som skapade den.

Ett laboratorieexperiment som detta gör det möjligt för oss att testa vår förståelse av hur kosmiska strålar accelereras till så höga energier, i en kontrollerad miljö. Något som inte är lätt att göra direkt i rymden.

Tidningen har publicerats i Naturfysik .