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2019-08-08 15:35:55

在實驗室中再現了天體物理沖擊現象

現在已經在實驗室中以高保真度再現了巨大的星際事件,其中帶電物質的云相互碰撞并噴出高能粒子。麻省理工學院的研究人員和一個國際同事團隊的工作應該有助于解決長期以來在這些巨大沖擊中發生的爭議。

許多規模最大的事件,例如從超新星向外沖出的物質膨脹的氣泡,都涉及一種稱為無碰撞沖擊的現象。在這些相互作用中,氣體或等離子體的云是如此稀薄以至于所涉及的大多數顆粒實際上彼此錯過,但它們仍然以電磁方式或以其他方式相互作用以產生可見的沖擊波和細絲。迄今為止,這些高能事件難以在實驗室條件下重現,這些事件反映了天體物理環境中的事件,導致物理學家對這些天體物理現象的工作機制存在分歧。

現在,研究人員成功地在實驗室中復制了這些無碰撞沖擊的臨界條件,從而可以對這些巨大的宇宙碎片中發生的過程進行詳細研究。新的研究結果在麻省理工學院等離子體科學和融合中心高級研究科學家Chikang Li,麻省理工學院的其他五個人以及全世界其他14人的論文“ 物理評論快報 ”中有所描述。

事實上,宇宙中所有可見物質都是等離子體的形式,是一種亞原子粒子的湯,其中帶負電的電子與帶正電的離子一起自由游動,而不是以原子的形式相互連接。太陽,恒星和大多數星際物質云都是由等離子體組成的。

這些星際云中的大多數非常脆弱,密度如此之低,以至于即使當一顆云以極快的速度撞擊另一顆云時,它們的組成粒子之間的真正碰撞也是罕見的,這種速度可能比每秒1000公里快得多。然而,結果可能是一個非常明亮的沖擊波,有時顯示出大量的結構細節,包括長尾絲。

天文學家發現,在這些沖擊邊界發生了許多變化,物理參數“跳躍”,李說。但是破譯在無碰撞沖擊中發生的機制一直很困難,因為極高的速度和低密度的組合在地球上很難匹配。

雖然早先已經預測到無碰撞沖擊,但在20世紀60年代,第一個被直接識別出來的是由太陽風形成的弓形沖擊,當它撞擊地球的磁場時,太陽風是從太陽發出的微弱粒子流。不久,天文學家在星際空間中發現了許多這樣的沖擊。但是,在那之后的幾十年里,“已經進行了大量的模擬和理論建模,但缺乏實驗”才能理解這些過程是如何運作的,Li說。

Li和他的同事們在羅徹斯特大學的OMEGA激光設備中發現了一種模擬實驗室現象的方法,即使用一組六個強大的激光束產生低密度等離子體射流,并將其瞄準帶有低密度氫氣的帶壁聚酰亞胺塑料袋。結果再現了在深空中觀察到的許多詳細的不穩定性,從而證實了條件足夠緊密,可以對這些難以捉摸的現象進行詳細的近距離研究。Li說,測量等離子體顆粒的平均自由程數量遠遠大于沖擊波的寬度,因此符合無碰撞沖擊的正式定義。

在實驗室產生的無碰撞沖擊的邊界處,等離子體的密度急劇增加。該團隊能夠測量對沖擊前沿上游和下游兩側的詳細影響,使他們能夠開始區分兩個云之間能量轉移所涉及的機制,這是物理學家多年來試圖弄清楚的。李說,結果與基于費米機制的一組預測一致,但需要進一步的實驗來明確排除已經提出的其他一些機制。

“我們第一次能夠直接測量無碰撞沖擊重要部分的結構”,李說。“幾十年來人們一直在追求這一點。”

該研究還準確地顯示了多少能量轉移到通過沖擊邊界的粒子,這些粒子將它們加速到光速的很大一部分,產生所謂的宇宙射線。更好地理解這種機制“是這個實驗的目標,這就是我們測量的”李說,并指出它們捕獲了由沖擊加速的電子的全部能量。

“這份報告是自2015年以來每年報告的變革系列實驗中的最新一期,用于模擬實際的天體物理沖擊波,以便與空間觀測進行比較,”西弗吉尼亞大學物理學教授兼歐米茄主席Mark Koepke說。激光設施用戶組,沒有參與該研究。“計算機模擬,空間觀測和這些實驗加強了物理解釋,這些解釋正在推動我們對高能量密度宇宙事件中的粒子加速機制的理解,例如伽馬射線爆發引起的相對論等離子體流出。”

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