När jorden kretsar runt solen, den plöjer genom en ström av snabbt rörliga partiklar som kan störa satelliter och globala positioneringssystem. Nu, ett team av forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och Princeton University har återskapat en process som sker i rymden för att fördjupa förståelsen för vad som händer när jorden möter denna solvind.

Teamet använde datorsimuleringar för att modellera rörelsen av en plasmastråle, det laddade tillståndet av materia som består av elektroner och atomkärnor som utgör alla stjärnor på himlen, inklusive vår sol. Många kosmiska händelser kan producera plasmastrålar, från relativt små stjärnrapningar till gigantiska stjärnexplosioner kända som supernovor. När snabbrörliga plasmastrålar passerar genom den långsammare plasman som finns i rymdens tomrum, det skapar vad som kallas en kollisionsfri chockvåg.

Dessa stötar uppstår också när jorden rör sig genom solvinden och kan påverka hur vinden virvlar in i och runt jordens magnetosfär, den skyddande magnetiska skölden som sträcker sig ut i rymden. Att förstå plasmachockvågor kan hjälpa forskare att förutsäga rymdvädret som utvecklas när solvinden virvlar in i magnetosfären och göra det möjligt för forskarna att skydda satelliter som tillåter människor att kommunicera över hela världen.

Simuleringarna avslöjade flera kontrollampa tecken som indikerar när en chock bildas, inklusive stötens egenskaper, de tre stadierna av chockens bildande, och fenomen som kan misstas för en chock. "Genom att kunna skilja en chock från andra fenomen, forskare kan känna sig säkra på att det de ser i ett experiment är vad de vill studera i rymden, sa Derek Schaeffer, en associerad forskare vid Princeton University Department of Astrophysics som ledde PPPL-forskargruppen. Fynden rapporterades i en tidning publicerad i Plasmas fysik som följde upp tidigare forskning som rapporterats här och här.

Plasmachocker som uppstår i rymden, som de skapade av jorden som reser mot solvinden, liknar chockvågorna som skapas i jordens atmosfär av överljudsflygplan. I båda fallen, snabbt rörligt material möter långsamt eller stillastående material och måste snabbt ändra dess hastighet, skapa ett område med virvlar och virvlar och turbulens.

Men i rymden, interaktionerna mellan snabba och långsamma plasmapartiklar sker utan att partiklarna berör varandra. "Något annat måste driva denna chockformation, som att plasmapartiklarna elektriskt attraherar eller stöter bort varandra, " sa Schaeffer. "I alla fall, mekanismen är inte helt förstådd."

För att öka sin förståelse, fysiker utför plasmaexperiment i laboratorier för att övervaka förhållandena noggrant och mäta dem exakt. I kontrast, mätningar tagna av rymdfarkoster kan inte enkelt upprepas och ta bara ett litet område av plasma. Datorsimuleringar hjälper sedan fysikerna att tolka deras laboratoriedata.

I dag, de flesta laboratorieplasmachocker bildas med hjälp av en mekanism som kallas plasmakolv. För att skapa kolven, forskare lyser med laser på ett litet mål. Lasern gör att små mängder av målets yta värms upp, bli ett plasma, och röra sig utåt genom en omgivning, långsammare rörlig plasma.

Schaeffer och kollegor producerade sin simulering genom att modellera denna process. "Tänk på ett stenblock mitt i en snabbrörlig ström, " sa Schaeffer. "Vattnet kommer ända fram till stenblocket, men når det inte riktigt. Övergångsområdet mellan snabb rörelse och noll [stående] rörelse är chocken."

De simulerade resultaten kommer att hjälpa fysiker att skilja en astrofysisk plasmachockvåg från andra tillstånd som uppstår i laboratorieexperiment. "Under laserplasmaexperiment, du kan observera mycket uppvärmning och kompression och tror att de är tecken på en chock, ", sade Schaeffer. "Men vi vet inte tillräckligt om början av en chock för att kunna veta från teorin enbart. För den här typen av laserexperiment, vi måste ta reda på hur vi ska se skillnaden mellan en chock och bara expansionen av den laserdrivna plasman."

I framtiden, forskarna siktar på att göra simuleringarna mer realistiska genom att lägga till fler detaljer och göra plasmadensiteten och temperaturen mindre enhetliga. De skulle också vilja köra experiment för att avgöra om de fenomen som förutspås av simuleringarna faktiskt kan inträffa i en fysisk apparat. "Vi skulle vilja testa de idéer vi pratar om i tidningen, säger Schaeffer.