La Nebulosa del Cangrejo es un remanente de supernova. En el año (occidental) 1054, Los astrónomos chinos registraron la supernova que hizo surgir la nebulosa. Crédito:NASA, ESA, J. DePasquale (STScI), y R. Hurt (Caltech / IPAC)
Ubicado en la constelación de Tauro, un espectáculo de remolinos de gases cósmicos que miden media docena de años luz de diámetro brilla en tonos esmeralda y castaño rojizo. La Nebulosa del Cangrejo nació de una supernova, la explosión de una estrella gigante, y ahora, una máquina de laboratorio del tamaño de una puerta doble reproduce cómo las inmensas explosiones dan vida a los remolinos astronómicos.
"Tiene un metro ochenta de alto y parece una gran rebanada de pizza de unos cuatro pies de ancho en la parte superior, ", dijo Ben Musci sobre la máquina de supernova que construyó para un estudio en el Instituto de Tecnología de Georgia.
La máquina también es tan delgada como una puerta y se coloca verticalmente con la punta de la "pizza" en la parte inferior. Una detonación concisa en esa punta lanza una onda expansiva hacia la parte superior, y en medio de la maquina, la onda pasa a través de dos capas de gas, haciéndolos mezclarse turbulentamente en remolinos como los que dejan las supernovas.
La luz láser ilumina los remolinos, y por una ventana, una cámara de alta velocidad con una lente para primeros planos captura la belleza junto con datos en una escala de centímetros que se pueden extrapolar a escalas astronómicas utilizando matemática física bien establecida. Lograr que la máquina produjera resultados útiles para estudiar la naturaleza requirió dos años y medio de ajustes de ingeniería.
Emparejando remolinos
"De repente pasamos de una cámara perfectamente quieta a una pequeña supernova. Se hizo mucha ingeniería para contener la explosión y al mismo tiempo hacerla realista donde golpea la interfaz de gas en la ventana de visualización, "dijo Devesh Ranjan, investigador principal del estudio y profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech.
"La parte difícil fue solucionar los problemas de los artefactos que no formaban parte de la física de las supernovas. Pasé un año deshaciéndome de cosas como una onda de choque adicional que rebotaba en la cámara o el aire que se filtraba desde la habitación, "dijo Musci, primer autor del estudio y asistente de investigación graduado en el laboratorio de Ranjan. "También tenía que asegurarme de que la gravedad, Radiación de fondo, y la temperatura no desbarató la física ".
Los investigadores publican sus resultados en El diario astrofísico el 17 de junio 2020. La investigación fue financiada por el programa Fusion Energy Science del Departamento de Energía de EE. UU. Musci planea colaborar con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore para comparar los patrones de gas de la máquina con datos reales sobre remanentes de supernovas.
Explosión especial de supernova
No todas las nebulosas son restos de supernovas, pero muchos lo son. Ellos y otros remanentes de supernovas comienzan con una estrella masiva. Las estrellas son bolas de gases que están dispuestos en capas, y cuando una estrella explota en una supernova, esas capas permiten la formación de hermosos remolinos.
"En el exterior, los gases tienen baja densidad y en el interior alta densidad, y muy profundo en la estrella, la densidad comienza a obligar a los gases a unirse para producir hierro en el núcleo de la estrella, "Dijo Ranjan.
"Después de este punto, la estrella se queda sin combustible nuclear, por lo que la fuerza hacia afuera causada por la fusión nuclear deja de equilibrar la fuerza gravitacional hacia adentro. La extrema gravitación colapsa la estrella, "Musci dijo.
La máquina de laboratorio que genera los restos de supernova en miniatura mide aproximadamente seis pies de altura. En el fondo, una pequeña detonación de un explosivo envía la onda expansiva hacia arriba. Pasa por la ventana del centro, donde atasca capas de gas para crear turbulencias. Una cámara de alta velocidad captura la creación de las formaciones. Crédito:Georgia Tech / Musci
En el centro de la estrella hay una explosión puntual, que es la supernova. Envía una onda expansiva que viaja a aproximadamente una décima parte de la velocidad de la luz que atraviesa los gases, atascando sus capas juntas.
El gas más pesado en las capas internas apuñala los afloramientos turbulentos en gas más liviano en las capas externas. Luego, detrás de la onda expansiva, caídas de presión, estirando los gases hacia afuera para un tipo diferente de mezcla turbulenta.
"Es un empujón fuerte seguido de un tirón o estiramiento prolongado, "Musci dijo.
Explosivo imita una supernova
Los investigadores utilizaron pequeñas cantidades de un detonador disponible comercialmente (que contiene RDX, o Departamento de Investigación eXplosive, y PETN, o tetranitrato de pentaeritritol) para hacer la concisa explosión en miniatura que envió una onda limpia a través de la interfaz entre los gases más pesados y más ligeros en la máquina.
En naturaleza, la onda expansiva sale esféricamente en todas direcciones, y Musci logró una representación parcial de su curvatura en la onda expansiva de la máquina. En la naturaleza y en la máquina, las interfaces entre los gases están llenas de pequeños, giros y vueltas desiguales llamados perturbaciones, y la onda expansiva los golpea en ángulos sesgados.
La máquina de laboratorio que genera los restos de supernova en miniatura mide aproximadamente seis pies de altura. En el fondo, una pequeña detonación de un explosivo envía la onda expansiva hacia arriba. Pasa por la ventana del centro, donde atasca capas de gas para crear turbulencias. Una cámara de alta velocidad captura la creación de las formaciones. Aquí, la máquina se ve en su lugar con todos los equipos auxiliares. El primer autor Ben Musci examina la cámara de la máquina. Crédito:Georgia Tech / Musci
"Eso es importante para hacer crecer la perturbación inicial que conduce a la turbulencia porque esa irregularidad pone un par en la interfaz entre las capas de gas, "Musci dijo.
Se producen convoluciones y vueltas para hacer remanentes de supernova, que se expanden durante miles de años para convertirse en formas cada vez más tersas que conmueven nuestro corazón con su esplendor. Para los físicos, esos giros iniciales son estructuras altamente reconocibles interesantes para el estudio:picos turbulentos de gas pesado que sobresalen en gas ligero, "burbujas" de gas ligero aisladas en áreas de gas pesado, y rizos típicos del flujo turbulento temprano.
"Una de las cosas más interesantes que vimos está relacionada con un misterio sobre las supernovas:disparan gas de alta densidad llamado eyecta hacia afuera, lo que puede ayudar a crear nuevas estrellas. Vimos algo de esta propulsión de gas en el dispositivo donde el gas pesado se propagó hacia el gas ligero, "Musci dijo.
Los remanentes de supernova se expanden perpetuamente a velocidades de cientos de millas por segundo, y la nueva máquina podría ayudar a refinar los cálculos de esas velocidades y ayudar a caracterizar las formas cambiantes de los remanentes. La supernova de la Nebulosa del Cangrejo fue registrada en el año 1054 por astrónomos chinos, pero para muchos otros remanentes, la máquina también podría ayudar a calcular su momento de nacimiento.
Fusión por confinamiento inercial
Los conocimientos de la máquina se aplicarían a la inversa para ayudar con el desarrollo de la energía de fusión nuclear. El proceso llamado fusión por confinamiento inercial aplica una fuerza extrema y calor desde el exterior hacia adentro de manera uniforme en un área pequeña donde dos isótopos de gas hidrógeno se superponen entre sí, uno más denso que el otro.
Las capas se juntan hasta que los núcleos de los átomos se fusionan, desatando energía. Los investigadores de Fusion se esfuerzan por eliminar la mezcla turbulenta. Lo bello de la supernova hace que la fusión nuclear sea menos eficiente.
