美国国家加速器实验室 为了研究超新星遗迹中的强大冲击波，弗雷德里科·菲尤扎和他的同事们在实验室中创造了类似的等离子体冲击波
在这里，计算机模拟揭示了两个相互远离的冲击波中磁场的湍流结构
荣誉:弗雷德里科·菲尤扎/SLAC国家加速器实验室 当恒星作为超新星爆炸时，它们会在周围的等离子体中产生冲击波
这些冲击波如此强大，它们可以充当粒子加速器，以接近光速的速度将称为宇宙射线的粒子流喷射到宇宙中
然而，他们究竟是如何做到这一点的仍然是一个谜
现在，科学家们设计了一种新的方法来研究天体物理冲击波的内部工作原理，方法是在实验室中创建一个按比例缩小的冲击波
他们发现，天体物理冲击会在非常小的尺度上产生湍流——这种尺度是天文观测无法看到的——这有助于在电子被提升到最终令人难以置信的速度之前将它们踢向冲击波
“这些系统很吸引人，但是因为它们离得太远，所以很难研究它们，”领导这项新研究的美国能源部SLAC国家加速器实验室高级职员科学家弗雷德里科·菲尤扎说
“我们并不是试图在实验室制造超新星遗迹，但我们可以在那里了解更多关于天体物理冲击的物理知识，并验证模型
" 注射问题 超新星周围的天体物理冲击波与超音速喷流前方形成的冲击波和声震并无不同
不同之处在于，当一颗恒星爆炸时，它会在周围的离子和自由电子气体或等离子体中形成物理学家所说的无碰撞激波
单个电子和离子不是像空气分子那样相互碰撞，而是被等离子体中的强电磁场以这种或那种方式强迫
研究人员发现，在这个过程中，超新星遗迹冲击会产生强大的电磁场，使带电粒子在冲击中多次反弹，并将它们加速到极高的速度
然而有一个问题
粒子必须移动得非常快才能首先穿过激波，没有人知道是什么让粒子加速
解决这个问题的一个显而易见的方法是研究超新星，看看它们周围的等离子体在干什么
但是即使距离最近的超新星有几千光年远，也不可能简单地用望远镜瞄准它们并获得足够的细节来了解发生了什么
幸运的是，菲尤扎、他的博士后同事安娜·格拉斯和他的同事们有了另一个想法:他们将尝试在实验室模拟超新星遗迹的冲击波条件，格拉斯的计算机模型表明这是可行的
最重要的是，该团队需要创造一种快速、扩散的冲击波，可以模仿超新星遗迹冲击
他们还需要证明等离子体的密度和温度以与这些冲击波模型一致的方式增加——当然，他们想知道冲击波是否会以非常高的速度射出电子
为了模拟超新星遗迹中的冲击波，SLAC的研究人员和他们的同事在国家点火设施向两个碳目标发射了强激光，将两个等离子体流相互送入
在它们相遇的地方，等离子体形成了类似于天体物理冲击的冲击波
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 点燃冲击波 为了达到这样的目的，研究小组去了国家点火设施，这是美国能源部在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一个用户设施
在那里，研究人员向一对碳片发射了一些世界上最强的激光，产生了一对直接相互撞击的等离子流
当气流相遇时，光学和x光观测揭示了该小组正在寻找的所有特征，这意味着他们在实验室里产生了一个条件类似于超新星遗迹冲击波的冲击波
最重要的是，他们发现当激波形成时，它确实能够将电子加速到接近光速
他们观察到的最大电子速度与他们根据测量的冲击特性所预期的加速度一致
然而，这些电子如何达到如此高速度的微观细节仍不清楚
幸运的是，这些模型可以帮助揭示一些细微之处，因为它们首先是以实验数据为基准的
“即使在实验中，我们也看不到粒子如何获得能量的细节，更不用说在天体物理观测中了，这就是模拟真正发挥作用的地方，”格拉斯说
事实上，计算机模型揭示了电子注入问题的解决方案
菲尤扎说，冲击波本身的湍流电磁场似乎能够将电子速度提高到粒子可以逃离冲击波并再次穿越回来以获得更高速度的程度
事实上，让粒子以足够快的速度穿过冲击波的机制似乎与冲击波让粒子达到天文速度时发生的情况相当相似，只是规模较小
走向未来 然而，问题仍然存在，在未来的实验中，研究人员将对电子加速时发射的x光进行详细测量，以研究电子能量如何随着离冲击波的距离而变化
菲尤扎说，这将进一步限制他们的计算机模拟，并帮助他们开发更好的模型
也许最重要的是，他们还将观察由冲击波发射的质子，而不仅仅是电子，研究小组希望这些数据将揭示更多关于这些天体物理粒子加速器内部工作的信息
更一般地说，这些发现可以帮助研究人员超越天文观测或基于航天器的观测对我们太阳系中更温和的冲击的限制
“这项工作开辟了一条在实验室研究超新星遗迹物理的新途径，”菲尤扎说
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