När stjärnor exploderar som supernovor, de producerar chockvågor i plasman som omger dem. Så kraftfulla är dessa chockvågor, de kan fungera som partikelacceleratorer som spränger strömmar av partiklar, kallas kosmiska strålar, ut i universum med nästan ljusets hastighet. Men hur exakt de gör det har förblivit något av ett mysterium.

Nu, forskare har utarbetat ett nytt sätt att studera de astrofysiska chockvågornas inre funktion genom att skapa en förminskad version av chocken i labbet. De fann att astrofysiska chocker utvecklar turbulens i mycket små skalor - skalor som inte kan ses av astronomiska observationer - som hjälper till att sparka elektroner mot chockvågen innan de förstärks upp till sin sista, otroliga hastigheter.

"Det här är fascinerande system, men eftersom de är så långt borta är det svårt att studera dem, sa Frederico Fiuza, en senior forskare vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, som ledde den nya studien. "Vi försöker inte göra supernovarester i labbet, men vi kan lära oss mer om fysiken för astrofysiska chocker där och validera modeller."

Injektionsproblemet

Astrofysiska chockvågor runt supernovor är inte olik de chockvågor och ljudbommar som bildas framför överljudsstrålar. Skillnaden är att när en stjärna sprängs, det bildar vad fysiker kallar en kollisionsfri chock i den omgivande gasen av joner och fria elektroner, eller plasma. Istället för att springa in i varandra som luftmolekyler skulle, individuella elektroner och joner tvingas på detta sätt och det av intensiva elektromagnetiska fält i plasman. I processen, forskare har utarbetat, Supernova-restchocker producerar starka elektromagnetiska fält som studsar laddade partiklar över stöten flera gånger och accelererar dem till extrema hastigheter.

Ändå finns det ett problem. Partiklarna måste redan röra sig ganska snabbt för att kunna passera chocken i första hand, och ingen är säker på vad som får partiklarna i fart. Det uppenbara sättet att ta itu med den frågan, känt som injektionsproblemet, skulle vara att studera supernovor och se vad plasman som omger dem håller på med. Men med även de närmaste supernovorna tusentals ljusår bort, det är omöjligt att bara rikta ett teleskop mot dem och få tillräckligt med detaljer för att förstå vad som händer.

Lyckligtvis, Fiuza, hans postdoktor Anna Grassi och kollegor hade en annan idé:de skulle försöka efterlikna chockvågsförhållandena för supernovarester i labbet, något Grassis datormodeller indikerade kunde vara genomförbart.

Det viktigaste, laget skulle behöva skapa en snabb, diffus chockvåg som skulle kunna imitera supernovarester. De skulle också behöva visa att plasmats densitet och temperatur ökade på ett sätt som överensstämmer med modeller av dessa stötar – och, självklart, de ville förstå om stötvågen skulle skjuta ut elektroner i mycket höga hastigheter.

Att tända en chockvåg

För att uppnå något sådant, laget gick till National Ignition Facility, en DOE-användaranläggning vid Lawrence Livermore National Laboratory. Där, forskarna sköt några av världens mest kraftfulla lasrar mot ett par kolplattor, skapar ett par plasmaflöden som leder rakt in i varandra. När flödena möttes, optiska observationer och röntgenobservationer avslöjade alla funktioner som teamet letade efter, vilket betyder att de hade producerat en chockvåg i labbet under förhållanden som liknar en supernova-relevantchock.

Viktigast, de fann att när chocken bildades var den verkligen kapabel att accelerera elektroner till nästan ljusets hastighet. De observerade maximala elektronhastigheter som överensstämde med den acceleration de förväntade sig baserat på de uppmätta stötegenskaperna. Dock, de mikroskopiska detaljerna om hur dessa elektroner nådde dessa höga hastigheter förblev oklara.

Lyckligtvis, modellerna kan hjälpa till att avslöja några av de fina punkterna, efter att först ha benchmarkats mot experimentella data. "Vi kan inte se detaljerna om hur partiklar får sin energi ens i experimenten, än mindre i astrofysiska observationer, och det är här simuleringarna verkligen kommer in i bilden, sa Grassi.

Verkligen, datormodellen avslöjade vad som kan vara en lösning på elektroninjektionsproblemet. Turbulenta elektromagnetiska fält inom själva stötvågen verkar kunna öka elektronhastigheterna upp till den punkt där partiklarna kan fly från stötvågen och korsa tillbaka igen för att få ännu mer fart, sa Fiuza. Faktiskt, mekanismen som får partiklar att gå tillräckligt snabbt för att passera chockvågen verkar vara ganska lik vad som händer när chockvågen får partiklar upp till astronomiska hastigheter, bara i mindre skala.

Mot framtiden

Frågor kvarstår, dock, och i framtida experiment kommer forskarna att göra detaljerade mätningar av de röntgenstrålar som sänds ut av elektronerna i det ögonblick de accelereras för att undersöka hur elektronenergierna varierar med avståndet från stötvågen. Den där, Fiuza sa, kommer ytterligare att begränsa deras datorsimuleringar och hjälpa dem att utveckla ännu bättre modeller. Och kanske viktigast, de kommer också att titta på protoner, inte bara elektroner, avfyrad av stötvågen, data som teamet hoppas ska avslöja mer om de inre funktionerna hos dessa astrofysiska partikelacceleratorer.

Mer allmänt, fynden kan hjälpa forskare att gå bortom begränsningarna för astronomiska observationer eller rymdskeppsbaserade observationer av de mycket tämjare stötarna i vårt solsystem. "Detta arbete öppnar upp ett nytt sätt att studera fysiken för supernova-relevantchocker i labbet, sa Fiuza.