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2020
06-16

科学家在实验室制造微型超新星激波:模拟粒子加速

在一项新研究中,研究人员在实验室里创造了微型的超新星激波,希望解决一个困扰科学家已久的宇宙之谜。

当恒星死亡并以超新星的形式爆发时,会在周围的等离子体中产生强大的激波,将宇宙射线或高能粒子喷射到宇宙中。激波就如同粒子加速器,可以使高能粒子的喷射速度达到接近光速的水平。然而,科学家还没有完全了解激波是如何加速这些粒子的。

美国能源部SLAC国家加速器实验室的资深科学家弗雷德里科·菲乌扎(Frederico Fiuza)领导了这项新研究,他说:“这些(超新星)是令人着迷的系统,但由于它们距离太远,很难进行研究。”

科学家在实验室制造微型超新星激波:模拟粒子加速

因此,为了更好地研究这些宇宙冲击波,科学家们开始尝试在地球上进行重现。研究人员已经创造了一个超新星残骸的微型版本。“我们并不是要在实验室中制造超新星残骸,但我们可以从中了解更多关于天体物理激波的物理知识,并验证数据模型,”菲乌扎在声明中说道。

菲乌扎和同事们致力于创造一种快速扩散的冲击波,可以模拟超新星爆发后的激波。他们在加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置工作,在那里,他们向碳薄片发射强大的激光,产生两个相互瞄准的等离子体流。据介绍,当两个等离子体流碰撞时,它们“在类似超新星遗迹激波的条件下”产生了一种冲击波。研究人员利用光学和X射线技术对该实验进行了观察。

通过分析实验室里制造出的微型超新星激波,研究人员证实了这种激波能够将电子加速至接近光速。然而,这些电子如何达到如此告诉仍然是一个谜,这促使科学家转向计算机建模。研究小组成员安娜·格拉希(Anna Grassi)说:“即使在实验中,我们也无法看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,而这正是模拟实验真正发挥作用的地方。”

现在,尽管激波加速粒子的宇宙之谜仍然未解,但格拉希创建的计算机模型揭示了一个可能的答案。根据这些模型,格拉希提出,激波中的湍流电磁场似乎可以将电子加速到所观察到的极高速度。

研究人员将继续研究加速电子发出的X射线,并不断完善计算机模拟实验。除了这项工作中研究的电子之外,未来的其他研究还将涉及同样在激波中喷射而出的带正电荷的质子。这项研究的详细结果发表在6月8日的《自然-物理》(Nature Physics)杂志上。

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