Cuando las estrellas explotan como supernovas, producen ondas de choque en el plasma que los rodea. Tan poderosas son estas ondas de choque, pueden actuar como aceleradores de partículas que disparan corrientes de partículas, llamados rayos cósmicos, hacia el universo casi a la velocidad de la luz. Sin embargo, cómo exactamente lo hacen sigue siendo un misterio.

Ahora, Los científicos han ideado una nueva forma de estudiar el funcionamiento interno de las ondas de choque astrofísicas creando una versión reducida del choque en el laboratorio. Descubrieron que los choques astrofísicos desarrollan turbulencias a escalas muy pequeñas (escalas que no se pueden ver mediante observaciones astronómicas) que ayudan a impulsar los electrones hacia la onda de choque antes de que sean impulsados ​​hasta su final, velocidades increíbles.

"Estos son sistemas fascinantes, pero como están tan lejos es difícil estudiarlos, "dijo Frederico Fiuza, un científico senior en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, quien dirigió el nuevo estudio. "No estamos tratando de hacer remanentes de supernovas en el laboratorio, pero podemos aprender más sobre la física de los choques astrofísicos allí y validar modelos ".

El problema de la inyección

Las ondas de choque astrofísicas alrededor de las supernovas no son diferentes de las ondas de choque y los estallidos sónicos que se forman frente a los chorros supersónicos. La diferencia es que cuando explota una estrella, forma lo que los físicos llaman un choque sin colisión en el gas circundante de iones y electrones libres, o plasma. En lugar de chocar entre sí como lo harían las moléculas de aire, los electrones e iones individuales son forzados de esta manera por intensos campos electromagnéticos dentro del plasma. En el proceso, los investigadores han trabajado, Los choques remanentes de supernova producen fuertes campos electromagnéticos que hacen rebotar partículas cargadas a través del choque varias veces y las aceleran a velocidades extremas.

Sin embargo, existe un problema. Las partículas ya tienen que moverse bastante rápido para poder cruzar el choque en primer lugar, y nadie está seguro de qué hace que las partículas se pongan al día. La forma obvia de abordar ese problema, conocido como el problema de la inyección, sería estudiar supernovas y ver qué están haciendo los plasmas que las rodean. Pero incluso con las supernovas más cercanas a miles de años luz de distancia, es imposible simplemente apuntar un telescopio hacia ellos y obtener suficientes detalles para comprender lo que está sucediendo.

Afortunadamente, Fiuza, su becaria postdoctoral Anna Grassi y sus colegas tuvieron otra idea:intentarían imitar las condiciones de onda de choque de los remanentes de supernova en el laboratorio, algo que indicaron los modelos de computadora de Grassi podría ser factible.

Más significativamente, el equipo tendría que crear un onda de choque difusa que podría imitar choques remanentes de supernova. También tendrían que demostrar que la densidad y la temperatura del plasma aumentaron de manera consistente con los modelos de esos choques y, por supuesto, querían saber si la onda de choque dispararía electrones a velocidades muy altas.

Encendiendo una onda de choque

Para lograr algo así, el equipo fue a la Instalación Nacional de Ignición, una instalación para usuarios del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Allí, los investigadores dispararon algunos de los láseres más poderosos del mundo a un par de láminas de carbono, creando un par de flujos de plasma que se dirigen directamente entre sí. Cuando los flujos se encontraron Las observaciones ópticas y de rayos X revelaron todas las características que el equipo estaba buscando, lo que significa que habían producido en el laboratorio una onda de choque en condiciones similares a un choque remanente de supernova.

Más importante, descubrieron que, cuando se formó el choque, era capaz de acelerar los electrones hasta casi la velocidad de la luz. Observaron velocidades máximas de electrones que eran consistentes con la aceleración que esperaban según las propiedades de choque medidas. Sin embargo, los detalles microscópicos de cómo estos electrones alcanzaron estas altas velocidades seguían sin estar claros.

Afortunadamente, los modelos podrían ayudar a revelar algunos de los puntos delicados, habiendo sido comparado por primera vez con datos experimentales. "No podemos ver los detalles de cómo las partículas obtienen su energía incluso en los experimentos, y mucho menos en observaciones astrofísicas, y aquí es donde realmente entran en juego las simulaciones, "Dijo Grassi.

En efecto, el modelo de computadora reveló lo que podría ser una solución al problema de la inyección de electrones. Los campos electromagnéticos turbulentos dentro de la propia onda de choque parecen ser capaces de aumentar la velocidad de los electrones hasta el punto en que las partículas pueden escapar de la onda de choque y volver a cruzar para ganar aún más velocidad. Dijo Fiuza. De hecho, el mecanismo que hace que las partículas vayan lo suficientemente rápido para cruzar la onda de choque parece ser bastante similar a lo que sucede cuando la onda de choque hace que las partículas alcancen velocidades astronómicas, solo en una escala más pequeña.

Hacia el futuro

Quedan preguntas, sin embargo, y en experimentos futuros, los investigadores harán mediciones detalladas de los rayos X emitidos por los electrones en el momento en que se aceleran para investigar cómo varían las energías de los electrones con la distancia de la onda de choque. Ese, Fiuza dijo, restringirá aún más sus simulaciones por computadora y les ayudará a desarrollar modelos aún mejores. Y quizás lo más significativo, también mirarán protones, no solo electrones, disparado por la onda de choque, datos que el equipo espera revelarán más sobre el funcionamiento interno de estos aceleradores de partículas astrofísicos.

Más generalmente, Los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a ir más allá de las limitaciones de las observaciones astronómicas o las observaciones basadas en naves espaciales de los choques mucho más suaves en nuestro sistema solar. "Este trabajo abre una nueva forma de estudiar la física de los choques de remanentes de supernova en el laboratorio, "Dijo Fiuza.