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为什么超新星爆炸时,能将粒子加速到接近光速,再喷射到宇宙中?

2022-02-21 18:37     来源:SLAC国家加速器实验室     粒子流 粒子加速器 宇宙射线

当恒星以超新星的形式爆炸时,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粒子流(宇宙射线)喷射到宇宙中,然而是如何做到这一点的,仍然是一个谜。现在,科学家们已经设计出一种新方法,可以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缩小版本的冲击波。

研究发现,天体物理冲击在非常小的尺度上发展出湍流(天文观测无法看到的尺度)在电子被提升到最终令人难以置信的速度之前,这有助于将电子踢向冲击波。领导这项新研究的能源部SLAC国家加速器实验室高级职员科学家弗雷德里科·菲乌扎(Frederico Fiuza)说:这些系统很吸引人,但因为它们离我们太远,很难对其进行研究,不能在实验室里制造超新星残骸,但可以在那里了解更多天体物理冲击的物理知识,并验证模型。

喷射注入问题

超新星周围的天体物理冲击波与超音速喷气式飞机前方形成的冲击波和音爆没有什么不同。不同的是,当一颗恒星爆炸时,它在周围的离子和自由电子气体或等离子体中形成了物理学家所说的无碰撞冲击波。与空气分子不同的是,单个电子和离子受到等离子体内强烈电磁场这样和那样的强迫。在这个过程中,研究人员已经计算出,超新星残骸激波会产生强大的电磁场,使带电粒子多次在激波中反弹,并将它们加速到极高的速度。

然而,这其中存在一个问题,粒子首先必须以相当快的速度移动才能穿过冲击波,而且没有人确定是什么让粒子加速。要解决这个问题,即所谓的喷射问题,最明显的方法是研究超新星,看看它们周围的等离子体在做什么。但是,即使是距离最近的超新星也在数千光年之外,要简单地用望远镜对准它们并获得足够的细节来了解正在发生的事情是不可能的。幸运的是,研究人员有另一个想法:试图模拟实验室中超新星残骸的冲击波条件。

最重要的是,研究小组需要创造一种快速、弥散的冲击波,以模拟超新星残馀冲击波。还需要证明等离子体的密度和温度以与这些冲击模型一致的方式增加,当然也想知道冲击波是否会以非常高的速度发射电子。为了实现这样的目标,研究小组前往国家点火设施,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,研究人员将一些世界上最强大的激光发射到一对碳片上,产生了一对直接对准彼此的等离子体流。

“燃点”冲击波

当气流相遇时,光学和X射线观测揭示了团队正在寻找的所有特征,这意味着在实验室中产生了类似于超新星残余冲击波的冲击波。最重要的是,研究发现,当冲击波形成时,它确实能够将电子加速到接近光速。观测到的最大电子速度与基于测量的冲击波特性预期加速度一致。然而,这些电子如何达到如此高速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,因为它们首先是根据实验数据进行基准测试的。

即使在实验中,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,这才是模拟真正发挥作用的地方。事实上,计算机模型揭示了电子注入问题的可能解决方案,冲击波本身内的湍流电磁场,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使粒子达到天文数字速度时发生的事情非常相似,只是规模较小。

未来的研究

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出的X射线进行详细测量,以研究电子能量如何随着距离冲击波的距离而变化。这将进一步限制计算机模拟,并帮助开发出更好的模型。也许最重要的是,还将研究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能揭示更多关于这些天体物理粒子加速器的内部工作原理。更广泛地说,这些发现可以帮助研究人员超越天文观测,也为在实验室研究超新星残馀激波的物理学开辟了一条新途径。

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