Immerso nella costellazione del Toro, uno spettacolo di gas cosmici vorticosi che misura una mezza dozzina di anni luce attraverso bagliori in sfumature di smeraldo e ramati. La Nebulosa Granchio è nata da una supernova, l'esplosione di una stella gigante, e adesso, una macchina da laboratorio delle dimensioni di una doppia porta replica il modo in cui le immense esplosioni dipingono i vortici astronomici in esistenza.

"È alto un metro e ottanta e sembra una grossa fetta di pizza larga circa quattro piedi nella parte superiore, " ha detto Ben Musci della macchina per supernova che ha costruito per uno studio al Georgia Institute of Technology.

La macchina è anche sottile come una porta e sta verticalmente con la punta della "pizza" in basso. Una concisa detonazione in quella punta spinge un'onda d'urto verso l'alto, e nel mezzo della macchina, l'onda passa attraverso due strati di gas, facendoli mischiare turbolenti in vortici come quelli lasciati dalle supernove.

La luce laser illumina i vortici, e attraverso una finestra, una telecamera ad alta velocità con un obiettivo ravvicinato cattura la bellezza insieme a dati su una scala centimetrica che possono essere estrapolati a scale astronomiche utilizzando una matematica fisica consolidata. Far produrre alla macchina risultati utili allo studio della natura ha richiesto due anni e mezzo di aggiustamenti ingegneristici.

Abbinare i turbinii

"Passiamo improvvisamente da una camera perfettamente immobile a una piccola supernova. C'è stata molta ingegneria per contenere l'esplosione e allo stesso tempo renderla realistica dove colpisce l'interfaccia del gas nella finestra di visualizzazione, " ha detto Devesh Ranjan, ricercatore principale dello studio e professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech.

"La parte difficile è stata risolvere gli artefatti che non facevano parte della fisica delle supernovae. Ho passato un anno a liberarmi di cose come un'onda d'urto extra che rimbalzava nella camera o l'aria che filtrava dalla stanza, "disse Musci, il primo autore dello studio e un assistente di ricerca laureato nel laboratorio di Ranjan. "Dovevo anche assicurarmi che la gravità, radiazione di fondo, e la temperatura non ha annullato la fisica."

I ricercatori pubblicano i loro risultati in Il Giornale Astrofisico il 17 giugno, 2020. La ricerca è stata finanziata dal programma Fusion Energy Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Musci prevede di collaborare con il Lawrence Livermore National Laboratory per confrontare i modelli di gas della macchina con i dati reali sui resti di supernova.

L'esplosione speciale di Supernova

Non tutte le nebulose sono residui di supernova, ma molti lo sono. Loro e altri resti di supernova iniziano con una stella massiccia. Le stelle sono palle di gas, che sono disposti in strati, e quando una stella esplode in una supernova, quegli strati consentono la formazione dei bellissimi vortici.

"All'esterno, i gas hanno bassa densità e all'interno alta densità, e molto in profondità nella stella, la densità inizia a forzare i gas insieme per produrre ferro nel nucleo della stella, " ha detto Ranjan.

"Dopo questo punto, la stella esaurisce il combustibile nucleare, quindi la forza verso l'esterno causata dalla fusione nucleare smette di bilanciare la forza gravitazionale verso l'interno. L'estrema gravitazione fa collassare la stella, " ha detto Musci.

Al centro della stella, c'è un'esplosione puntiforme, che è la supernova. Invia un'onda d'urto che viaggia a circa un decimo della velocità della luce che squarcia i gas, unendo i loro strati.

Il gas più pesante negli strati interni trafigge gli affioramenti turbolenti in gas più leggero negli strati esterni. Poi dietro l'onda d'urto, cadute di pressione, allungando i gas indietro per un diverso tipo di miscelazione turbolenta.

"È una forte spinta seguita da una prolungata trazione o allungamento, " ha detto Musci.

L'esplosivo imita la supernova

I ricercatori hanno utilizzato piccole quantità di un detonatore disponibile in commercio (contenente RDX, o Dipartimento di Ricerca eXplosive, e PETN, o pentaeritritolo tetranitrato) per produrre l'esplosione in miniatura concisa che ha inviato un'onda pulita attraverso l'interfaccia tra i gas più pesanti e più leggeri nella macchina.

In natura, l'onda d'urto esce sferica in tutte le direzioni, e Musci ha ottenuto una rappresentazione parziale della sua curvatura nell'onda d'urto della macchina. In natura e nella macchina, le interfacce tra i gas sono piene di piccoli, colpi di scena irregolari chiamati perturbazioni, e l'onda d'urto li colpisce ad angoli sghembi.

"Questo è importante per aumentare la perturbazione iniziale che porta alla turbolenza perché quell'irregolarità mette una coppia sull'interfaccia tra gli strati di gas, " ha detto Musci.

Seguono circonvoluzioni e volute per creare resti di supernova, che si espandono per migliaia di anni per diventare forme più morbide e levigate che commuovono i nostri cuori con il loro splendore. Ai fisici, quei colpi di scena iniziali sono strutture altamente riconoscibili interessanti per lo studio:picchi turbolenti di gas pesante che sporgono nel gas leggero, "bolle" di gas leggero isolate in aree di gas pesante, e riccioli tipici del primo flusso turbolento.

"Una delle cose più interessanti che abbiamo visto è legata a un mistero sulle supernove:sparano gas ad alta densità chiamato ejecta fuori, che può aiutare a creare nuove stelle. Abbiamo visto parte di questa propulsione a gas nel dispositivo in cui il gas pesante si è propagato nel gas leggero, " ha detto Musci.

I resti di supernova si espandono perennemente a velocità di centinaia di miglia al secondo, e la nuova macchina potrebbe aiutare a perfezionare i calcoli di quelle velocità e aiutare a caratterizzare le forme mutevoli dei resti. La supernova della Nebulosa del Granchio è stata registrata nell'anno 1054 dagli astronomi cinesi, ma per molti altri resti, la macchina potrebbe anche aiutare a calcolare il loro momento di nascita.

Fusione a confinamento inerziale

Le intuizioni della macchina si applicherebbero al contrario per aiutare con lo sviluppo dell'energia da fusione nucleare. Il processo chiamato fusione a confinamento inerziale applica forza e calore estremi dall'esterno verso l'interno in modo uniforme su una piccola area in cui due isotopi di idrogeno gassoso sono stratificati l'uno sull'altro, uno più denso dell'altro.

Gli strati sono forzati insieme fino a quando i nuclei degli atomi si fondono, sprigionando energia. I ricercatori sulla fusione stanno cercando di eliminare il mescolamento turbolento. Ciò che è bello nella supernova rende la fusione nucleare meno efficiente.