Grandes eventos interestelares en los que nubes de materia cargada se precipitan entre sí y arrojan partículas de alta energía ahora se han reproducido en el laboratorio con alta fidelidad. La obra, por investigadores del MIT y un equipo internacional de colegas, debería ayudar a resolver disputas de larga data sobre exactamente lo que ocurre en estos gigantescos shocks.

Muchos de los eventos de mayor escala, como la burbuja de materia en expansión que sale disparada desde una supernova, implican un fenómeno llamado choque sin colisiones. En estas interacciones, las nubes de gas o plasma están tan enrarecidas que la mayoría de las partículas involucradas en realidad se pierden entre sí, pero, no obstante, interactúan electromagnéticamente o de otras formas para producir ondas de choque y filamentos visibles. Hasta ahora, estos eventos de alta energía han sido difíciles de reproducir en condiciones de laboratorio que reflejan los de un entorno astrofísico. lo que lleva a desacuerdos entre los físicos en cuanto a los mecanismos que operan en estos fenómenos astrofísicos.

Ahora, los investigadores han logrado reproducir las condiciones críticas de estos choques sin colisiones en el laboratorio, lo que permite un estudio detallado de los procesos que tienen lugar dentro de estos gigantescos aplastamientos cósmicos. Los nuevos hallazgos se describen en la revista. Cartas de revisión física , en un artículo del científico investigador principal del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT, Chikang Li, otros cinco en el MIT, y otras 14 personas en todo el mundo.

Prácticamente toda la materia visible del universo está en forma de plasma, una especie de sopa de partículas subatómicas donde los electrones cargados negativamente nadan libremente junto con los iones cargados positivamente en lugar de estar conectados entre sí en forma de átomos. El sol, las estrellas, y la mayoría de las nubes de material interestelar están hechas de plasma.

La mayoría de estas nubes interestelares son extremadamente tenues, con una densidad tan baja que las verdaderas colisiones entre sus partículas constituyentes son raras incluso cuando una nube choca contra otra a velocidades extremas que pueden ser mucho más rápidas que 1, 000 kilómetros por segundo. Sin embargo, el resultado puede ser una onda de choque espectacularmente brillante, a veces mostrando una gran cantidad de detalles estructurales, incluidos largos filamentos de arrastre.

Los astrónomos han descubierto que se producen muchos cambios en estos límites de choque, donde los parámetros físicos "saltan, ", Dice Li. Pero descifrar los mecanismos que tienen lugar en los choques sin colisiones ha sido difícil, ya que la combinación de velocidades extremadamente altas y densidades bajas ha sido difícil de igualar en la Tierra.

Si bien antes se habían predicho choques sin colisiones, el primero que se identificó directamente, en los años 1960, fue el arco de choque formado por el viento solar, una tenue corriente de partículas que emana del sol, cuando golpea el campo magnético de la Tierra. Pronto, muchos de estos choques fueron reconocidos por los astrónomos en el espacio interestelar. Pero en las décadas posteriores, "ha habido muchas simulaciones y modelos teóricos, sino una falta de experimentos "para comprender cómo funcionan los procesos, Dice Li.

Li y sus colegas encontraron una manera de imitar los fenómenos en el laboratorio generando un chorro de plasma de baja densidad utilizando un conjunto de seis potentes rayos láser. en las instalaciones de láser OMEGA en la Universidad de Rochester, y apuntándolo a una bolsa de plástico de poliimida de paredes delgadas llena de gas hidrógeno de baja densidad. Los resultados reprodujeron muchas de las inestabilidades detalladas observadas en el espacio profundo, confirmando así que las condiciones coinciden lo suficientemente cerca como para permitir detalles, estudio de cerca de estos esquivos fenómenos. Se midió una cantidad llamada camino libre medio de las partículas de plasma como mucho mayor que el ancho de las ondas de choque, Li dice:cumpliendo así con la definición formal de un choque sin colisión.

En el límite del choque sin colisiones generado por el laboratorio, la densidad del plasma se disparó dramáticamente. El equipo pudo medir los efectos detallados tanto en los lados aguas arriba como aguas abajo del frente de choque, permitiéndoles comenzar a diferenciar los mecanismos involucrados en la transferencia de energía entre las dos nubes, algo que los físicos han pasado años intentando descifrar. Los resultados son consistentes con un conjunto de predicciones basadas en algo llamado mecanismo de Fermi, Li dice:pero serán necesarios más experimentos para descartar definitivamente algunos otros mecanismos que se han propuesto.

"Por primera vez pudimos medir directamente la estructura" de partes importantes del choque sin colisión, Dice Li. "La gente ha estado persiguiendo esto durante varias décadas".

La investigación también mostró exactamente cuánta energía se transfiere a las partículas que pasan a través del límite de choque, que los acelera a velocidades que son una fracción significativa de la velocidad de la luz, produciendo lo que se conoce como rayos cósmicos. Una mejor comprensión de este mecanismo "fue el objetivo de este experimento, y eso es lo que medimos ", dice Li, señalando que capturaron un espectro completo de las energías de los electrones acelerados por el choque.

"Este informe es la última entrega de una serie de experimentos transformadores, reportado anualmente desde 2015, emular una onda de choque astrofísica real para compararla con observaciones espaciales, "dice Mark Koepke, profesor de física en la Universidad de West Virginia y presidente del Grupo de usuarios de instalaciones de láser Omega, que no participó en el estudio. "Simulaciones por computadora, observaciones espaciales, y estos experimentos refuerzan las interpretaciones físicas que están avanzando en nuestra comprensión de los mecanismos de aceleración de partículas en juego en eventos cósmicos de alta densidad de energía, como las salidas de plasma relativista inducidas por explosiones de rayos gamma ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.