在实验室里再现了天体物理的冲击现象

大量带电物质云相互撞击并喷射出高能粒子的星际事件,现在已在实验室中以高保真度重现。麻省理工学院(MIT)的研究人员和一个国际同事团队的这项工作,应该有助于解决长期以来围绕这些巨大冲击究竟发生了什么的争议。

许多规模最大的事件,比如超新星喷发出的不断膨胀的物质气泡,都涉及到一种被称为无碰撞冲击的现象。在这些相互作用中,气体云或等离子体变得如此稀薄,以至于大多数粒子实际上彼此错过了,但它们仍然通过电磁或其他方式相互作用,产生可见的冲击波和细丝。迄今为止,这些高能事件在实验室条件下难以重现,而实验室条件又与天体物理环境下的情况类似,这导致物理学家们对这些天体物理现象中起作用的机制存在分歧。

现在,研究人员已经成功地在实验室中重现了这些无碰撞冲击的临界条件,从而对这些巨大的宇宙大碰撞中发生的过程进行了详细的研究。麻省理工学院等离子体科学与聚变中心高级研究科学家李志康(音译)、麻省理工学院的另外五名科学家以及世界各地的其他14名科学家在《物理评论快报》上发表了一篇论文,描述了这些新发现。

事实上,宇宙中所有可见的物质都是以等离子体的形式存在的。等离子体是一种亚原子粒子的汤,带负电荷的电子与带正电荷的离子自由地游动,而不是以原子的形式彼此连接。太阳、恒星和大多数星际物质云都是由等离子体构成的。

这些星际云大多极其稀薄,密度极低,即使当一片云以远超每秒1000公里的速度撞击另一片云时,它们的组成粒子之间也很少发生真正的碰撞。然而,结果可能是一个壮观的明亮的冲击波,有时显示出大量的结构细节,包括长尾丝状物。

李说,天文学家已经发现,在这些激波边界发生了许多变化,那里的物理参数“跳跃”。但是,由于极快的速度和极低的密度的结合在地球上是很难匹配的,所以要破译发生在无碰撞冲击中的机制一直是很困难的。

虽然早前就预测到了无碰撞冲击,但在20世纪60年代直接确定的第一个冲击是由太阳风形成的弓形冲击。太阳风是一种从太阳发出的微小粒子流,当它撞击地球磁场时形成。不久,许多这样的冲击就被星际空间的天文学家发现了。但在那之后的几十年里,“有很多模拟和理论建模,但缺乏实验”来理解这些过程是如何工作的,李说。

李和他的同事们发现了一种方法来模拟现象在实验室通过生成的低密度等离子体喷射使用一组六个强大的激光束,在ω激光设备罗彻斯特大学,目标对准一个薄壁聚酰亚胺塑料袋充斥着低密度氢气。这些结果再现了在深太空中观察到的许多细节不稳定性,从而证实了这些条件非常吻合,足以对这些难以捉摸的现象进行详细、近距离的研究。李说,等离子体粒子的平均自由路径被测量为比激波的宽度大得多,从而满足了无碰撞激波的正式定义。

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上升。研究小组能够测量出激波前沿的上游和下游的详细影响,从而开始区分两种云之间能量转移的机制,这是物理学家们多年来一直试图弄清楚的。李说,这些结果与一组基于费米机制的预测是一致的,但是还需要进一步的实验来明确排除一些已经提出的其他机制。

李说:“这是我们第一次能够直接测量无碰撞冲击的重要部分的结构。”“几十年来,人们一直在追求这个目标。”

这项研究还精确地显示了有多少能量被传递给了穿过激波边界的粒子,从而使它们加速到相当于光速相当大一部分的速度,产生了我们所知的宇宙射线。李说,更好地理解这一机制“是这个实验的目标,这也是我们所测量的”。他指出,他们捕捉到了受冲击加速的电子的全谱能量。

“这份报告是最新一期在一个变革的一系列实验,报告了自2015年以来,每年来模拟实际的天体物理冲击波与空间观测,”马克说Koepke,西弗吉尼亚大学的物理学教授和主席ω激光设备用户组,他并没有参与这项研究。“计算机模拟、太空观察和这些实验加强了物理学的解释,这些解释正在推进我们对高能密度宇宙事件中粒子加速机制的理解,比如伽马射线爆发引发的相对论性等离子体外流。”

国际团队包括大学的研究人员在法国波尔多,捷克科学院国家研究核大学在俄罗斯,俄罗斯科学院,罗马大学、罗切斯特大学、巴黎大学,在日本大阪大学,加州大学圣迭戈。它得到了美国能源部和法国国家研究机构的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/collisionless-shock-reproduced-astrophysics-0807

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