In tutto l'universo, Le onde d'urto supersoniche spingono i raggi cosmici e le particelle di supernova a velocità prossime a quella della luce. La più alta energia di questi shock astrofisici si verifica troppo al di fuori del sistema solare per essere studiata in dettaglio e ha lasciato perplessi gli astrofisici. Gli shock più vicini alla Terra possono essere rilevati da veicoli spaziali, ma volano troppo in fretta per sondare la formazione di un'onda.

Aprire la porta a una nuova comprensione

Ora un team di scienziati ha generato le prime onde d'urto ad alta energia in un ambiente di laboratorio, aprendo la porta a una nuova comprensione di questi misteriosi processi. "Abbiamo sviluppato per la prima volta una piattaforma per lo studio di shock altamente energetici con maggiore flessibilità e controllo di quanto sia possibile con i veicoli spaziali, " disse Derek Schaeffer, un fisico presso la Princeton University e il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), e autore principale di un articolo di luglio in Lettere di revisione fisica che delinea gli esperimenti.

Schaeffer e colleghi hanno condotto la loro ricerca sulla struttura laser Omega EP presso il Laboratorio per l'energia laser dell'Università di Rochester. A collaborare al progetto è stato il fisico PPPL Will Fox, chi ha progettato l'esperimento, e ricercatori di Rochester e delle università del Michigan e del New Hampshire. "Questo ti permette di capire l'evoluzione dei processi fisici che avvengono all'interno delle onde d'urto, " ha detto Fox della piattaforma.

Per produrre l'onda, gli scienziati hanno usato un laser per creare un plasma ad alta energia, una forma di materia composta da atomi e particelle atomiche cariche, che si è espansa in un plasma magnetizzato preesistente. L'interazione creata, in pochi miliardesimi di secondo, un'onda d'urto magnetizzata che si espanse a una velocità di oltre 1 milione di miglia all'ora, congruente con gli shock al di fuori del sistema solare. La rapida velocità rappresentava un alto "numero di Mach magnetosonico" e l'onda era "senza collisioni, " emulare gli shock che si verificano nello spazio esterno dove le particelle sono troppo distanti per scontrarsi frequentemente.

Scoperta per caso

La scoperta di questo metodo per generare onde d'urto è avvenuta in realtà per caso. I fisici avevano studiato la riconnessione magnetica, il processo in cui convergono le linee del campo magnetico nel plasma, separare e riconnettersi energeticamente. Per studiare il flusso di plasma nell'esperimento, i ricercatori hanno installato una nuova diagnostica sull'impianto laser di Rochester. Con loro sorpresa, la diagnostica ha rivelato un forte irripidimento della densità del plasma, che ha segnalato la formazione di un'onda d'urto ad alto numero di Mach.

Per simulare i risultati, i ricercatori hanno eseguito un codice informatico chiamato "PSC" sul supercomputer Titan, il più potente computer degli Stati Uniti, ospitato presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility del DOE. La simulazione ha utilizzato i dati derivati ​​dagli esperimenti ei risultati del modello concordavano bene con le immagini diagnostiche della formazione dell'urto.

Andando avanti, la piattaforma di laboratorio consentirà nuovi studi sulla relazione tra urti senza collisioni e accelerazione di particelle astrofisiche. La piattaforma "complementa il telerilevamento e le osservazioni di veicoli spaziali, " scrivono gli autori, e "apre la strada a indagini di laboratorio controllate su shock ad alto numero di Mach".