Vasti eventi interstellari in cui nubi di materia carica si scontrano l'una con l'altra ed emettono particelle ad alta energia sono stati ora riprodotti in laboratorio con alta fedeltà. Il lavoro, dai ricercatori del MIT e da un team internazionale di colleghi, dovrebbe aiutare a risolvere controversie di lunga data su ciò che accade esattamente in questi giganteschi shock.

Molti degli eventi su larga scala, come la bolla di materia in espansione che sfreccia verso l'esterno da una supernova, comportano un fenomeno chiamato shock senza collisioni. In queste interazioni, le nubi di gas o plasma sono così rarefatte che la maggior parte delle particelle coinvolte in realtà si perde l'un l'altra, ma tuttavia interagiscono elettromagneticamente o in altri modi per produrre onde d'urto e filamenti visibili. Questi eventi ad alta energia sono stati finora difficili da riprodurre in condizioni di laboratorio che rispecchiano quelle in un ambiente astrofisico, portando a disaccordi tra i fisici sui meccanismi in atto in questi fenomeni astrofisici.

Ora, i ricercatori sono riusciti a riprodurre in laboratorio le condizioni critiche di questi urti senza collisioni, consentendo uno studio dettagliato dei processi che si verificano all'interno di questi giganteschi sfasciamenti cosmici. Le nuove scoperte sono descritte nella rivista Lettere di revisione fisica , in un articolo del MIT Plasma Science and Fusion Center Senior Research Scientist Chikang Li, altri cinque al MIT, e altri 14 in tutto il mondo.

Praticamente tutta la materia visibile nell'universo è sotto forma di plasma, una specie di zuppa di particelle subatomiche in cui gli elettroni caricati negativamente nuotano liberamente insieme agli ioni caricati positivamente invece di essere collegati tra loro sotto forma di atomi. Il Sole, le stelle, e la maggior parte delle nuvole di materiale interstellare sono fatte di plasma.

La maggior parte di queste nuvole interstellari sono estremamente tenui, con una densità così bassa che le vere collisioni tra le loro particelle costituenti sono rare anche quando una nuvola si scontra con un'altra a velocità estreme che possono essere molto più veloci di 1, 000 chilometri al secondo. Tuttavia, il risultato può essere un'onda d'urto straordinariamente brillante, a volte mostra una grande quantità di dettagli strutturali inclusi lunghi filamenti finali.

Gli astronomi hanno scoperto che molti cambiamenti avvengono a questi confini di shock, dove i parametri fisici "saltano, " dice Li. Ma decifrare i meccanismi che si verificano negli urti senza collisioni è stato difficile, poiché la combinazione di velocità estremamente elevate e bassa densità è stata difficile da eguagliare sulla Terra.

Mentre in precedenza erano stati previsti shock senza collisioni, il primo che è stato identificato direttamente, negli anni Sessanta, era la scossa di prua formata dal vento solare, un tenue flusso di particelle che emana dal sole, quando colpisce il campo magnetico terrestre. Prossimamente, molti di questi shock sono stati riconosciuti dagli astronomi nello spazio interstellare. Ma nei decenni successivi, "ci sono state molte simulazioni e modelli teorici, ma una mancanza di esperimenti" per capire come funzionano i processi, Li dice.

Li e i suoi colleghi hanno trovato un modo per imitare i fenomeni in laboratorio generando un getto di plasma a bassa densità utilizzando una serie di sei potenti raggi laser, presso la struttura laser OMEGA presso l'Università di Rochester, e puntandolo su un sacchetto di plastica di poliimmide a parete sottile riempito con gas idrogeno a bassa densità. I risultati hanno riprodotto molte delle instabilità dettagliate osservate nello spazio profondo, confermando così che le condizioni corrispondono abbastanza da consentire una dettagliata, studio ravvicinato di questi fenomeni sfuggenti. Una quantità chiamata percorso libero medio delle particelle di plasma è stata misurata come molto maggiore delle larghezze delle onde d'urto, Li dice, soddisfacendo così la definizione formale di shock senza collisioni.

Al confine dello shock senza collisioni generato in laboratorio, la densità del plasma è aumentata drasticamente. Il team è stato in grado di misurare gli effetti dettagliati sui lati a monte e a valle del fronte dell'ammortizzatore, permettendo loro di iniziare a differenziare i meccanismi coinvolti nel trasferimento di energia tra le due nuvole, qualcosa che i fisici hanno passato anni a cercare di capire. I risultati sono coerenti con una serie di previsioni basate su qualcosa chiamato meccanismo di Fermi, Li dice, ma saranno necessari ulteriori esperimenti per escludere definitivamente alcuni altri meccanismi che sono stati proposti.

"Per la prima volta siamo stati in grado di misurare direttamente la struttura" di parti importanti dell'urto senza collisioni, Li dice. "La gente ha perseguito questo per diversi decenni."

La ricerca ha anche mostrato esattamente quanta energia viene trasferita alle particelle che passano attraverso il confine d'urto, che li accelera a velocità che sono una frazione significativa della velocità della luce, producendo i cosiddetti raggi cosmici. Una migliore comprensione di questo meccanismo "era l'obiettivo di questo esperimento, ed è quello che abbiamo misurato" dice Li, notando che hanno catturato uno spettro completo delle energie degli elettroni accelerati dallo shock.

"Questo rapporto è l'ultima puntata di una serie trasformativa di esperimenti, segnalato annualmente dal 2015, per emulare un'onda d'urto astrofisica reale per il confronto con le osservazioni spaziali, "dice Mark Koepke, professore di fisica alla West Virginia University e presidente dell'Omega Laser Facility User Group, che non è stato coinvolto nello studio. "Simulazioni al computer, osservazioni spaziali, e questi esperimenti rafforzano le interpretazioni della fisica che stanno facendo progredire la nostra comprensione dei meccanismi di accelerazione delle particelle in gioco negli eventi cosmici ad alta densità di energia come i deflussi di plasma relativistico indotti da raggi gamma".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.