Открывая дверь к новому пониманию
Теперь группа ученых создала первые высокоэнергетические ударные волны в лабораторных условиях, открыв дверь к новому пониманию этих загадочных процессов. «Мы впервые разработали платформу для изучения высокоэнергетических толчков с большей гибкостью и контролем, чем это возможно с космическими кораблями», — сказал Дерек Шеффер, физик из Принстонского университета и США.S. Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики (DOE) и ведущий автор июльской статьи в Physical Review Letters, в которой описываются эксперименты.
Шеффер и его коллеги провели исследования на лазерной установке Omega EP в Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера. В проекте участвовали физик PPPL Уилл Фокс, разработавший эксперимент, и исследователи из Рочестера и университетов Мичигана и Нью-Гэмпшира. «Это позволяет понять эволюцию физических процессов, происходящих внутри ударных волн», — сказал Фокс о платформе.
Чтобы создать волну, ученые использовали лазер для создания высокоэнергетической плазмы — формы материи, состоящей из атомов и заряженных атомных частиц, — которая расширилась в уже существующую намагниченную плазму. Взаимодействие создало за несколько миллиардных долей секунды намагниченную ударную волну, которая расширялась со скоростью более 1 миллиона миль в час, что соответствовало ударам за пределами Солнечной системы. Высокая скорость представляла собой высокое «магнитозвуковое число Маха», а волна была «бесстолкновительной», имитируя удары, которые происходят в космическом пространстве, когда частицы находятся слишком далеко друг от друга, чтобы часто сталкиваться.
Открытие случайно
Открытие этого метода генерации ударных волн фактически произошло случайно. Физики изучали магнитное пересоединение, процесс, в котором силовые линии магнитного поля в плазме сходятся, разделяются и пересоединяются по энергии.
Чтобы исследовать поток плазмы в эксперименте, исследователи установили новую диагностику на лазерной установке в Рочестере. К их удивлению, диагностика выявила резкое увеличение плотности плазмы, что сигнализировало о формировании ударной волны с высоким числом Маха.
Чтобы смоделировать результаты, исследователи запустили компьютерный код под названием «PSC» на суперкомпьютере Titan, самом мощном U.S. компьютер, расположенный в вычислительном центре лидерства в Ок-Ридж при Министерстве энергетики США. При моделировании использовались данные, полученные в результате экспериментов, и результаты модели хорошо согласовывались с диагностическими изображениями образования скачка.
В будущем лабораторная платформа позволит проводить новые исследования взаимосвязи между бесстолкновительными ударами и ускорением астрофизических частиц. Платформа «дополняет настоящее дистанционное зондирование и наблюдения с космических аппаратов», пишут авторы, и «открывает путь для контролируемых лабораторных исследований толчков с высоким числом Маха."