Högenergiska chockvågor som drivs av soluppblåsningar och koronala massutkastningar av plasma från solen bryter ut i hela solsystemet, släpper lös magnetiska rymdstormar som kan skada satelliter, stör mobiltelefontjänsten och strömavbrott på jorden. Solvinden driver också högenergivågor – plasma som ständigt flödar från solen och stöter mot jordens skyddande magnetfält.

Nu har experiment som leds av forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) i Princeton Center for Heliophysics för första gången reproducerat processen bakom källan till sådana chocker. Fynden överbryggar klyftan mellan laboratorie- och rymdfarkostobservationer och ökar förståelsen för hur universum fungerar.

Plötsliga hopp

Experimenten, redovisas i Fysiska granskningsbrev , visa hur samspelet mellan plasma - tillståndet hos materia som består av fria elektroner och atomkärnor, eller joner – kan orsaka plötsliga hopp i plasmatryck och magnetfältstyrka som kan accelerera partiklar till nära ljusets hastighet. Sådana stötar är "kollisionslösa" eftersom de bildas genom samspel mellan vågor och plasmapartiklar snarare än genom kollisioner mellan partiklarna själva.

Forskningen gav mätning av hela upptakten till chocker. "Direktmätning är ett elegant sätt att se hur partiklarna rör sig och interagerar, " sa fysiker Derek Schaeffer från PPPL och Princeton University, som ledde forskningen. "Vårt papper visar att vi kan använda en kraftfull diagnostik för att studera partikelrörelserna som leder till chocker."

Forskningen, genomfördes på Omega laseranläggning vid University of Rochester, producerade en laserdriven plasma-kallad en "kolv" -plasma-som expanderade med överljudshastigheten på mer än en miljon miles i timmen genom en redan existerande omgivande plasma. Expansionen accelererade joner i omgivande plasma till hastigheter på ungefär en halv miljon miles i timmen, simulerar föregångaren till kollisionsfria stötar som uppstår i hela kosmos.

Forskningen utvecklades i flera steg:

• Först, skapandet av kolvplasma återger de överljudsplasma som bildas i yttre rymden. Kolven fungerade som en snöplog, sopa upp joner i den omgivande plasman inbäddad i ett magnetfält.
• När fler av dessa joner sopades upp, de bildade en barriär som hindrade kolven från att verka vidare. "När du har samlat upp tillräckligt med 'snö', chocken kopplas från kolven, "Sa Schaeffer.
• Den stoppade kolven överlämnade bildandet av chocken till den högkomprimerade magnetiserade plasman, vilket gav upphov till det plötsliga kollisionsfria hoppet.

Forskare använde en diagnos som heter Thompson -spridning för att spåra denna utveckling. Diagnostiken upptäcker laserljus som sprids från elektronerna i plasma, möjliggör mätning av elektronernas temperatur och densitet och hastigheten hos de strömmande jonerna. Resultaten, författarna skriver, visa att laboratorieexperiment kan undersöka plasmapartiklarnas beteende i föregångaren till kollisionsfria astrofysiska chocker, "och kan komplettera, och i vissa fall övervinna begränsningarna av liknande mätningar som utförs av rymdfarkostuppdrag."

Ultimat mål

Medan denna forskning reproducerade processen som utlöser chocker, det slutliga målet är att själva mäta de chockaccelererade partiklarna. För det steget, sa Schaeffer, "samma diagnostik kan användas när vi utvecklar förmågan att köra tillräckligt starka stötar. Som en bonus, " han lägger till, "Denna diagnostik liknar hur rymdfarkoster mäter partikelrörelser i rymdchocker, så framtida resultat kan jämföras direkt. "