Gigantyczne lasery pomagają odtworzyć wybuchową i tajemniczą fizykę supernowych

Kiedy jeden z eksperymentów Hye-Sook Park idzie dobrze, wszyscy w pobliżu wiedzą. „Słychać krzyki Hye-Sook” – mówią koledzy.

Nic dziwnego, że nie potrafi powstrzymać podniecenia. Z bliska przygląda się fizyce eksplodujących gwiazd lub supernowych, zjawiska tak ogromnego, że jego moc trudno opisać słowami.

Zamiast badać te eksplozje z odległości przez teleskopy, Park, fizyk z Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii, tworzy coś podobnego do tych wybuchów, używając laserów o najwyższej energii na świecie.

Około 10 lat temu Park i jej koledzy rozpoczęli poszukiwania zrozumienia fascynującej i słabo poznanej cechy supernowych: fale uderzeniowe, które powstają w wyniku eksplozji, mogą pobudzać cząstki, takie jak protony i elektrony, do ekstremalnych energii.

„Wstrząsy supernowe są uważane za jedne z najpotężniejszych akceleratorów cząstek we wszechświecie” – mówi fizyk plazmowy Frederico Fiuza z SLAC National Accelerator Laboratory w Menlo Park w Kalifornii, jeden ze współpracowników Parka.

Niektóre z tych cząstek w końcu uderzają w Ziemię po szybkim maratonie na kosmicznych dystansach. Naukowcy od dawna zastanawiali się, w jaki sposób takie fale powodują ogromne przyspieszenie cząstek energetycznych. Teraz Park i jej koledzy w końcu stworzyli w laboratorium falę uderzeniową przypominającą supernową i obserwowali, jak wysyła cząsteczki w powietrze, ujawniając możliwe nowe wskazówki dotyczące tego, jak to się dzieje w kosmosie.

Sprowadzenie fizyki supernowej na Ziemię może pomóc rozwiązać inne tajemnice wszechświata, takie jak pochodzenie kosmicznych pól magnetycznych. Jest też bardziej egzystencjalny powód, dla którego fizyków fascynują supernowe. Te wybuchy dostarczają niektórych podstawowych elementów niezbędnych do naszego istnienia. „Żelazo w naszej krwi pochodzi z supernowych” – mówi fizyk plazmowy Carolyn Kuranz z Uniwersytetu Michigan w Ann Arbor, która również bada supernowe w laboratorium. „Dosłownie jesteśmy stworzeni z gwiazd”.

Szczęśliwa gwiazda

Jako absolwentka w latach 80-tych Park pracował nad eksperymentem 600 metrów pod ziemią w działającej kopalni soli pod jeziorem Erie w Ohio. Eksperyment, nazwany IMB dla Irvine-Michigan-Brookhaven, nie był przeznaczony do badania supernowych. Ale naukowcy mieli szczęście. Gwiazda eksplodowała w galaktyce satelitarnej Drogi Mlecznej, a IMB przechwycił cząstki katapultowane z tej erupcji. Ci posłańcy z kosmicznej eksplozji, lekkie cząstki subatomowe zwane neutrinami, ujawnili bogactwo nowych informacji o supernowych.

Ale supernowe w naszym kosmicznym sąsiedztwie są rzadkie. Tak więc dekady później Park nie czekała na drugie szczęśliwe wydarzenie.

Fizyk Hye-Sook Park, pokazany jako doktorant w latach 80. (po lewej) i na niedawnym zdjęciu (po prawej), używa potężnych laserów do badania astrofizyki. OD LEWEJ: JOHN VAN DER VELDE; LANIE L. RIVERA / LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY

Zamiast tego jej zespół i inni używają niezwykle potężnych laserów, aby odtworzyć fizykę obserwowaną po wybuchach supernowych. Lasery odparowują mały cel, który może być wykonany z różnych materiałów, takich jak plastik. Uderzenie powoduje eksplozję szybko poruszającej się plazmy, mieszaniny naładowanych cząstek, która naśladuje zachowanie plazmy wyrzucanej z supernowych.

Gwiezdne eksplozje są wyzwalane, gdy masywna gwiazda wyczerpuje swoje paliwo, a jej rdzeń zapada się. Zewnętrzne warstwy gwiazdy wybuchają na zewnątrz w wyniku eksplozji, która może wyzwolić więcej energii, niż zostanie uwolnione przez Słońce przez całe 10 miliardów lat życia. Wypływ ma niezgłębione 100 trylionów jottadżuli energii kinetycznej.

Supernowe mogą również wystąpić, gdy martwa gwiazda zwana białym karłem zostanie ponownie zapalona, ​​na przykład po “wypiciu” gazu z gwiazdy towarzyszącej, powodując wybuch reakcji jądrowych, które wymykają się spod kontroli.

Pozostałości supernowej, takie jak W49B (pokazane w promieniowaniu rentgenowskim, radiowym i podczerwonym), przyspieszają elektrony i protony do wysokich energii w falach uderzeniowych. NASA, CXC, MIT L. LOPEZ I WSP. (RENTGEN), PALOMAR (PODCZERWIEŃ), VLA / NRAO / NSF (RADIO)

W obu przypadkach naprawdę się gotuje, gdy eksplozja wysyła strumień plazmy wypływający z gwiazdy do jej otoczenia, ośrodka międzygwiazdowego – zasadniczo innego oceanu cząstek plazmy. Z biegiem czasu burzliwa, rozszerzająca się struktura zwana pozostałością po supernowej tworzy piękny pokaz świetlny o średnicy dziesiątek lat świetlnych, który może utrzymywać się na niebie przez wiele tysięcy lat po początkowej eksplozji. To ta burzliwa pozostałość, którą eksplorują Park i jej koledzy.

Z oczywistych powodów studiowanie fizyki supernowych w laboratorium to nie to samo, co w rzeczywistości. „Naprawdę nie możemy stworzyć supernowej w laboratorium, w przeciwnym razie wszyscy zostalibyśmy zniszczeni” – mówi Park.

Zamiast samounicestwienia Park i inni skupiają się na wersjach supernowych, które są zmniejszane, zarówno pod względem rozmiaru, jak i czasu. Zamiast odtwarzać całą supernową na raz, fizycy próbują w każdym eksperymencie wyodrębnić interesujące elementy fizyki. Biorąc pod uwagę ogromną złożoność supernowej, „tak naprawdę badamy tylko małą jej część” – mówi Park.

W przypadku eksplozji w kosmosie naukowcy są zdani na łaskę natury. Jednak w laboratorium „można zmieniać parametry i obserwować reakcję wstrząsów” – mówi astrofizyk Anatoly Spitkovsky z Uniwersytetu Princeton, który współpracuje z Park.

Eksplozje w laboratorium następują błyskawicznie i są niewielkie, mają zaledwie centymetry średnicy. Na przykład w eksperymentach Kuranza równowartość 15 minut w życiu prawdziwej supernowej może zająć zaledwie 10 miliardowych części sekundy. A odcinek gwiezdnej eksplozji większy niż średnica Ziemi można skurczyć do 100 mikrometrów. „Procesy zachodzące w obu są bardzo podobne” – mówi Kuranz. “Rozwala mi mózg.”

Ostrość lasera

Aby odtworzyć fizykę supernowej, laboratoryjne eksplozje muszą stworzyć ekstremalne środowisko. Do tego potrzebny jest naprawdę duży laser, który można znaleźć tylko w kilku miejscach na świecie, takich jak NIF, National Ignition Facility w Lawrence Livermore i OMEGA Laser Facility na University of Rochester w Nowym Jorku.

W obu miejscach jeden laser jest podzielony na wiele wiązek. Największy laser na świecie w NIF ma 192 wiązki. Każda z tych wiązek jest wzmacniana w celu wykładniczego wzrostu energii. Następnie niektóre lub wszystkie z tych wiązek są skoncentrowane na małym, starannie zaprojektowanym celu. Laser NIF może dostarczyć ponad 500 bilionów watów mocy na krótką chwilę, przewyższając chwilowo całkowite zużycie energii w Stanach Zjednoczonych tysiąckrotnie.

Pojedynczy eksperyment w NIF lub OMEGA, zwany strzałem, to jeden strzał z lasera. A każdy strzał to wielkie zużycie energi. Możliwości wykorzystania tak zaawansowanych obiektów są ograniczone, a naukowcy chcą dopracować wszystkie szczegóły, aby mieć pewność, że eksperyment zakończy się sukcesem.

Kiedy zbliża się strzał, pojawia się klimat wystrzelenia w kosmos. Operatorzy monitorują obiekt z dyspozytorni wypełnionej ekranami. Kiedy zbliża się czas wybuchu lasera, zaczyna odliczać na głos: „Dziesięć, dziewięć, osiem…”

„Kiedy odliczają czas do oddania strzału, serce wali” – mówi fizyk plazmowy Jena Meinecke z Uniwersytetu Oksfordzkiego, która pracowała przy eksperymentach w NIF i innych badaniach związanych z laserami.

W momencie strzelania „chcesz, żeby Ziemia się zatrzęsła” – mówi Kuranz. Zamiast tego możesz po prostu usłyszeć trzask – dźwięk rozładowania kondensatorów, które gromadzą ogromne ilości energii przy każdym strzale.

Potem następuje myśl o przejrzeniu wyników i ustaleniu, czy eksperyment się powiódł. „To dużo adrenaliny” – mówi Kuranz.

W komorze docelowej National Ignition Facility (pokazanej podczas konserwacji) zbiegają się 192 wiązki laserowe. Podmuchy wytwarzają smugi plazmy, które mogą naśladować niektóre aspekty pozostałości po supernowej. LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY

Lasery nie są jedynym sposobem badania fizyki supernowych w laboratorium. Niektórzy badacze stosują intensywne wyładowania elektryczne, zwane mocą pulsacyjną. Inni używają niewielkich ilości materiałów wybuchowych do wywołania wybuchów. Do zrozumienia różnych etapów życia supernowych można zastosować różne techniki.

Prawdziwy szok

Park jest pełna kosmicznego entuzjazmu, mówi, że odtworzenie w laboratorium części fizyki supernowej jest naprawdę tak niezwykłe, jak się wydaje. „W przeciwnym razie nie pracowałbym nad tym”. Wraz ze Spitkowskim i Fiuzą, Park jest jednym z kilkunastu naukowców zaangażowanych we współpracę z Astrophysical Collisionless Shock Experiments przy użyciu laserów (ACSEL). Poszukiwania Park, rozpoczęły się dziesięć lat temu a ich celem są fale uderzeniowe.

W wyniku gwałtownego wprowadzenia energii fale uderzeniowe charakteryzują się gwałtownym wzrostem temperatury, gęstości i ciśnienia. Na Ziemi fale uderzeniowe wywołują dźwiękowy huk naddźwiękowego dżetu, grzmot podczas burzy i niszczącą falę ciśnienia, która może roztrzaskać okna w następstwie potężnej eksplozji. Te fale uderzeniowe powstają, gdy cząsteczki powietrza zderzają się ze sobą, tworząc falę o dużej gęstości, wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze.

W środowiskach kosmicznych fale uderzeniowe występują nie w powietrzu, ale w plazmie, mieszaninie protonów, elektronów i jonów, atomów naładowanych elektrycznie. Tam cząstki mogą być na tyle rozproszone, że nie zderzają się bezpośrednio, tak jak w powietrzu. W takiej plazmie gromadzenie się cząstek zachodzi pośrednio, w wyniku sił elektromagnetycznych popychających i ciągnących cząstki. „Jeśli cząstka zmienia trajektorię, dzieje się tak, ponieważ odczuwa pole magnetyczne lub pole elektryczne” – mówi Gianluca Gregori, fizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego, który jest częścią ACSEL.

W jaki sposób powstają i rosną te pola oraz jak powstaje taka fala uderzeniowa, było trudne do rozszyfrowania. Badacze nie mają możliwości zobaczenia tego procesu w prawdziwych supernowych; szczegóły są zbyt małe, aby obserwować je za pomocą teleskopów.

Te fale uderzeniowe, znane jako bezkolizyjne fale uderzeniowe [collisionless shock waves], fascynują fizyków. „Cząstki w tych wstrząsach mogą osiągać niesamowite energie” – mówi Spitkovsky. W pozostałościach po supernowych cząstki mogą uzyskać do 1000 bilionów elektronowoltów, znacznie przewyższając kilka bilionów elektronowoltów osiągniętych w największym akceleratorze cząstek wykonanym przez człowieka, Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą. Ale to, w jaki sposób cząstki mogą surfować po falach uderzeniowych supernowych, aby osiągnąć swoje zdumiewające energie, pozostaje tajemnicze.

Redukować

Pozostałości supernowej i eksperymenty laserowe wykazują tę samą fizykę, mimo że różnią się bardzo pod względem ich właściwości, w tym rozmiaru, prędkości fal uderzeniowych oraz temperatury i gęstości ich naładowanych elektrycznie cząstek, czyli plazmy.

Początki pola magnetycznego

Aby zrozumieć, w jaki sposób fale uderzeniowe supernowych pobudzają cząsteczki, musisz zrozumieć, w jaki sposób powstają fale uderzeniowe w pozostałościach po supernowej. Trzeba też zrozumieć, jak powstają silne pola magnetyczne. Bez nich fala uderzeniowa nie może powstać.

Pola elektryczne i magnetyczne są ze sobą ściśle powiązane. Kiedy poruszają się cząstki naładowane elektrycznie, tworzą małe prądy elektryczne, które generują małe pola magnetyczne. A same pola magnetyczne wysyłają naładowane cząstki, które poruszają się spiralnie, zakrzywiając ich trajektorie. Poruszające się pola magnetyczne również wytwarzają pola elektryczne.

Rezultatem jest złożony proces sprzężenia zwrotnego, w którym przepychają się cząstki i pola, ostatecznie wytwarzając falę uderzeniową. „Dlatego jest to tak fascynujący. To samomodulująca się, samokontrolująca się, odtwarzająca się struktura”- mówi Spitkovsky. „To tak, jakby prawie żyło”.

Cała ta złożoność może się rozwinąć dopiero po uformowaniu się pola magnetycznego. Ale przypadkowe ruchy pojedynczych cząstek generują tylko małe, przejściowe pola magnetyczne. Aby wytworzyć znaczące pole, pewien proces zachodzący w pozostałości po supernowej musi wzmacniać pola magnetyczne. Teoretyczny proces zwany niestabilnością Weibela, wymyślony po raz pierwszy w 1959 r., od dawna oczekiwano właśnie tego.

W supernowej plazma wypływająca na zewnątrz podczas eksplozji napotyka plazmę ośrodka międzygwiazdowego. Zgodnie z teorią stojącą za niestabilnością Weibela, dwa zestawy plazmy rozpadają się na włókna, gdy przepływają jedna za drugą, jak dwie ręce ze splecionymi palcami. Te włókna działają jak przewody przewodzące prąd. A tam, gdzie jest prąd, jest pole magnetyczne. Pola magnetyczne włókien wzmacniają prądy, dodatkowo wzmacniając pola magnetyczne. Naukowcy podejrzewali, że pola elektromagnetyczne mogą wtedy stać się wystarczająco silne, aby przekierować i spowolnić cząstki, powodując ich gromadzenie się w falę uderzeniową.

W 2015 roku w Nature Physics zespół ACSEL przedstawił wgląd w niestabilność Weibela w eksperymencie OMEGA. Naukowcy zauważyli pola magnetyczne, ale nie wykryli bezpośrednio włókien prądu. Wreszcie w tym roku w Physical Review Letters z 29 maja zespół poinformował, że nowy eksperyment przyniósł pierwsze bezpośrednie pomiary prądów, które powstają w wyniku niestabilności Weibela, potwierdzając pomysły naukowców na temat tego, jak silne pola magnetyczne mogą tworzyć w pozostałościach supernowych.

W ramach tego nowego eksperymentu, również w OMEGA, naukowcy z projektu ACSEL wystrzelili siedem laserów, z których każdy skierowany na dwa cele naprzeciw siebie. W rezultacie dwa strumienie plazmy przepływały ku sobie z prędkością do 1500 kilometrów na sekundę – z prędkością wystarczająco dużą, aby dwukrotnie okrążyć Ziemię w czasie krótszym niż minuta. Kiedy te dwa strumienie się spotkały, rozdzieliły się na włókna prądu, tak jak oczekiwano, wytwarzając pola magnetyczne o wartości 30 tesli, około 20 razy silniej niż pola magnetyczne w wielu urządzeniach MRI.

„To, co znaleźliśmy, to w zasadzie ten podręcznikowy obraz, który był tam od 60 lat, a teraz w końcu mogliśmy go zobaczyć eksperymentalnie” – mówi Fiuza.

Surfowanie na fali uderzeniowej

Gdy naukowcy zobaczyli pola magnetyczne, następnym krokiem było stworzenie fali uderzeniowej i obserwacja, jak przyspieszają cząsteczki. Ale Park mówi, że „nieważne, jak bardzo próbowaliśmy na OMEGA, nie mogliśmy wywołać wstrząsu”.

Potrzebowali National Ignition Facility i jego większego lasera.

Tam naukowcy uderzyli w dwa cele w kształcie dysków, 84 wiązkami laserowymi, czyli prawie pół miliona dżuli energii, czyli mniej więcej tyle samo, co energia kinetyczna samochodu jadącego autostradą z prędkością 60 mil na godzinę.

Dwa strumienie plazmy popłynęły ku sobie. Gęstość i temperatura plazmy wzrosła w miejscu zderzenia, donosili naukowcy we wrześniu Nature Physics . „Nie ma co do tego wątpliwości” – mówi Park. Grupa była świadkiem fali uderzeniowej, szczególnie takiej bezkolizyjnej występującej w supernowych. W rzeczywistości były dwie fale uderzeniowe, z których każda oddalała się od siebie.

Impuls mocy

W niedawnym eksperymencie w NIF naukowcy sprawdzili lasery na dwóch celach. Pojawiły się dwa strumienie plazmy, wytwarzające fale uderzeniowe (środek ilustracji) w miejscu, w którym stykały się strumienie plazmy.

Poznanie wyników zapoczątkowało chwilę radosnej celebracji, mówi Park: przybijamy piątkę wszystkim.

„To jedne z pierwszych eksperymentalnych dowodów na powstawanie tych bezkolizyjnych wstrząsów” – mówi fizyk plazmowy Francisco Suzuki-Vidal z Imperial College w Londynie, który nie brał udziału w badaniach. „To jest coś, co było naprawdę trudne do odtworzenia w laboratorium”.

Zespół odkrył również, że elektrony zostały przyspieszone przez fale uderzeniowe, osiągając energię ponad 100 razy wyższą niż energia cząstek w otaczającej plazmie. Po raz pierwszy naukowcy obserwowali cząstki surfujące po falach uderzeniowych, takich jak te znalezione w pozostałościach po supernowych.

Ale grupa nadal nie rozumiała, jak to się dzieje.

W pozostałości po supernowej oraz w eksperymencie niewielka liczba cząstek jest przyspieszana, kiedy przechodzą przez falę uderzeniową, przemieszczając się w tę i z powrotem, aby zgromadzić energię. Jednak aby przejść przez falę uderzeniową, elektrony potrzebują na początek trochę energii. To tak, jakby surfer na wielkiej fali próbował złapać potężną falę, mówi Fiuza. Nie sposób złapać tak dużej fali po prostu wiosłując. Ale dzięki energii dostarczanej przez skutery wodne holujące surfera, mogą oni wykorzystać energię fali i płynać na fali.

Symulacja komputerowa fali uderzeniowej (struktura pokazana na niebiesko) ilustruje, jak elektrony uzyskują energię (czerwone ścieżki mają wyższą energię, a żółte i zielone są niższe). F. FIUZA / SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

„Próbujemy zrozumieć: czym jest nasz skuter wodny? Co dzieje się w tym środowisku, które pozwala tym maleńkim elektronom stać się wystarczająco energetycznymi, aby mogły jeździć na tej fali i być przy tym przyspieszane?” Mówi Fiuza.

Naukowcy przeprowadzili symulacje komputerowe, które sugerowały, że fala uderzeniowa ma obszar przejściowy, w którym pola magnetyczne stają się turbulentne i nieuporządkowane. To sugeruje, że burzliwe pole jest skuterem wodnym: niektóre cząstki rozpraszają się w nim, dając im energię wystarczającą do pokonania fali uderzeniowej.

Budzenie

Ogromne obiekty laserowe, takie jak NIF i OMEGA, są zwykle budowane w celu badania syntezy jądrowej – tego samego źródła energii, które zasila słońce. Użycie laserów do ściskania i ogrzewania celu może spowodować fuzję jąder ze sobą, uwalniając energię w procesie. Istnieje nadzieja, że ​​takie badania mogą doprowadzić do powstania elektrowni termojądrowych, które mogłyby dostarczać energię bez emisji gazów cieplarnianych lub niebezpiecznych odpadów jądrowych. Ale jak dotąd naukowcy nie wyciągnęli jeszcze więcej energii z syntezy jądrowej, niż włożyli – konieczność praktycznego wytwarzania energii.

Dlatego te urządzenia laserowe poświęcają wiele swoich eksperymentów pogoni za energią termojądrową. Ale czasami naukowcy, tacy jak Park, mają szansę przestudiować pytania oparte nie na rozwiązaniu światowego kryzysu energetycznego, ale na ciekawości – na przykład zastanawianiu się, co się dzieje, gdy eksploduje gwiazda. Mimo to, ogólnie rzecz biorąc, zrozumienie supernowych może również pomóc w urzeczywistnieniu energii termojądrowej, ponieważ plazma kosmiczna wykazuje niektóre z tych samych zachowań, co plazma w reaktorach termojądrowych.

W NIF Park pracował również nad eksperymentami termojądrowymi. Od czasów studiów, studiowała wiele różnych tematów, od pracy nad amerykańskim programem obrony przeciwrakietowej „Gwiezdne wojny”, przez projektowanie kamery dla satelity wysłanego na Księżyc, po poszukiwanie źródeł kosmicznego światła o wysokiej energii – rozbłyski zwane rozbłyskami gamma. Chociaż jest pasjonatką każdego tematu, „spośród wszystkich tych projektów”, mówi, „ten szczególny, bezkolizyjny projekt uderzeniowy [particular collisionless shock] jest moją miłością”.

Na początku swojej kariery, wracając do eksperymentu w kopalni soli, Park po raz pierwszy poczuła dreszczyk emocji związany z odkryciem. Jeszcze zanim IMB wychwyciło neutrina z supernowej, w detektorze pojawiło się inne nieoczekiwane neutrino. Cząstka przeszła przez całą Ziemię, aby dotrzeć do eksperymentu od dołu. Park znalazł neutrino podczas analizy danych o 4 rano i obudził wszystkich swoich współpracowników, aby im o tym opowiedzieć. To był pierwszy raz, kiedy ktokolwiek pracujący nad eksperymentem widział cząstkę wychodzącą z dołu. „Wciąż doskonale pamiętam czas, kiedy widziałem coś, czego nikt nie widział” – wspomina Park.

Teraz, mówi, nadal ma to samo uczucie. Krzyki radości wybuchają, gdy widzi coś nowego, opisującego fizykę niewyobrażalnie wielkich eksplozji.

Źródło: Emily Conover

C.M. Huntington et alObservation of magnetic field generation via the Weibel instability in interpenetrating plasma flowsNature Physics. Vol. 11, February 2015, p. 173. doi: 10.1038/nphys3178.

F. Fiuza et alElectron acceleration in laboratory-produced turbulent collisionless shocksNature Physics. Vol. 16, September 2020, p. 916. doi: 10.1038/s41567-020-0919-4.

G.F. Swadling et alMeasurement of Kinetic-Scale Current Filamentation Dynamics and Associated Magnetic Fields in Interpenetrating PlasmasPhysical Review Letters. Vol. 124, May 29, 2020, p. 215001. doi: 10.1103/PhysRevLett.124.215001.

B. Musci et al. Supernova Hydrodynamics: A Lab-scale Study of the Blast-driven Instability Using High-speed DiagnosticsAstrophysical Journal. Vol. 896, June 20, 2020, p. 92. doi: 10.3847/1538-4357/ab8f8f.

Zdjęcie: EUGENE KOWALUK/UNIV. OF ROCHESTER LABORATORY FOR LASER ENERGETICS

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x