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科学家在实验室制造微型超新星激波:模拟粒子加速

2020/6/16 8:26:32来源:作者:任天责编:懒猫评论:

北京时间 6 月 16 日消息,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。

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▲ 这张计算机模拟图片显示了在两个相互远离的激波中磁场的湍流结构

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。”

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。

钱德拉 X 射线天文台拍摄的第谷超新星残骸图像,生动揭示了产生这个深空天体爆发的动力学过程。该图片发布于 2014 年 7 月 22 日

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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关键词:粒子

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