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2019-08-08 15:35:55

在实验室中再现了天体物理冲击现象

现在已经在实验室中以高保真度再现了巨大的星际事件,其中带电物质的云相互碰撞并喷出高能粒子。麻省理工学院的研究人员和一个国际同事团队的工作应该有助于解决长期以来在这些巨大冲击中发生的争议。

许多规模最大的事件,例如从超新星向外冲出的物质膨胀的气泡,都涉及一种称为无碰撞冲击的现象。在这些相互作用中,气体或等离子体的云是如此稀薄以至于所涉及的大多数颗粒实际上彼此错过,但它们仍然以电磁方式或以其他方式相互作用以产生可见的冲击波和细丝。迄今为止,这些高能事件难以在实验室条件下重现,这些事件反映了天体物理环境中的事件,导致物理学家对这些天体物理现象的工作机制存在分歧。

现在,研究人员成功地在实验室中复制了这些无碰撞冲击的临界条件,从而可以对这些巨大的宇宙碎片中发生的过程进行详细研究。新的研究结果在麻省理工学院等离子体科学和融合中心高级研究科学家Chikang Li,麻省理工学院的其他五个人以及全世界其他14人的论文“ 物理评论快报 ”中有所描述。

事实上,宇宙中所有可见物质都是等离子体的形式,是一种亚原子粒子的汤,其中带负电的电子与带正电的离子一起自由游动,而不是以原子的形式相互连接。太阳,恒星和大多数星际物质云都是由等离子体组成的。

这些星际云中的大多数非常脆弱,密度如此之低,以至于即使当一颗云以极快的速度撞击另一颗云时,它们的组成粒子之间的真正碰撞也是罕见的,这种速度可能比每秒1000公里快得多。然而,结果可能是一个非常明亮的冲击波,有时显示出大量的结构细节,包括长尾丝。

天文学家发现,在这些冲击边界发生了许多变化,物理参数“跳跃”,李说。但是破译在无碰撞冲击中发生的机制一直很困难,因为极高的速度和低密度的组合在地球上很难匹配。

虽然早先已经预测到无碰撞冲击,但在20世纪60年代,第一个被直接识别出来的是由太阳风形成的弓形冲击,当它撞击地球的磁场时,太阳风是从太阳发出的微弱粒子流。不久,天文学家在星际空间中发现了许多这样的冲击。但是,在那之后的几十年里,“已经进行了大量的模拟和理论建模,但缺乏实验”才能理解这些过程是如何运作的,Li说。

Li和他的同事们在罗彻斯特大学的OMEGA激光设备中发现了一种模拟实验室现象的方法,即使用一组六个强大的激光束产生低密度等离子体射流,并将其瞄准带有低密度氢气的带壁聚酰亚胺塑料袋。结果再现了在深空中观察到的许多详细的不稳定性,从而证实了条件足够紧密,可以对这些难以捉摸的现象进行详细的近距离研究。Li说,测量等离子体颗粒的平均自由程数量远远大于冲击波的宽度,因此符合无碰撞冲击的正式定义。

在实验室产生的无碰撞冲击的边界处,等离子体的密度急剧增加。该团队能够测量对冲击前沿上游和下游两侧的详细影响,使他们能够开始区分两个云之间能量转移所涉及的机制,这是物理学家多年来试图弄清楚的。李说,结果与基于费米机制的一组预测一致,但需要进一步的实验来明确排除已经提出的其他一些机制。

“我们第一次能够直接测量无碰撞冲击重要部分的结构”,李说。“几十年来人们一直在追求这一点。”

该研究还准确地显示了多少能量转移到通过冲击边界的粒子,这些粒子将它们加速到光速的很大一部分,产生所谓的宇宙射线。更好地理解这种机制“是这个实验的目标,这就是我们测量的”李说,并指出它们捕获了由冲击加速的电子的全部能量。

“这份报告是自2015年以来每年报告的变革系列实验中的最新一期,用于模拟实际的天体物理冲击波,以便与空间观测进行比较,”西弗吉尼亚大学物理学教授兼欧米茄主席Mark Koepke说。激光设施用户组,没有参与该研究。“计算机模拟,空间观测和这些实验加强了物理解释,这些解释正在推动我们对高能量密度宇宙事件中的粒子加速机制的理解,例如伽马射线爆发引起的相对论等离子体流出。”

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