Quando le stelle esplodono come supernova, producono onde d'urto nel plasma che li circonda. Così potenti sono queste onde d'urto, possono agire come acceleratori di particelle che fanno esplodere flussi di particelle, chiamati raggi cosmici, nell'universo quasi alla velocità della luce. Tuttavia, come lo fanno esattamente è rimasto un mistero.

Ora, gli scienziati hanno escogitato un nuovo modo per studiare il funzionamento interno delle onde d'urto astrofisiche creando una versione ridotta dello shock in laboratorio. Hanno scoperto che gli shock astrofisici sviluppano turbolenze su scale molto piccole - scale che non possono essere viste dalle osservazioni astronomiche - che aiuta a spingere gli elettroni verso l'onda d'urto prima che vengano potenziati fino al loro finale, velocità incredibili.

"Sono sistemi affascinanti, ma perché sono così lontani è difficile studiarli, " disse Federico Fiuza, uno scienziato senior dello staff presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, che ha condotto il nuovo studio. "Non stiamo cercando di creare resti di supernova in laboratorio, ma possiamo imparare di più sulla fisica degli shock astrofisici lì e convalidare i modelli".

Il problema dell'iniezione

Le onde d'urto astrofisiche intorno alle supernove non sono diverse dalle onde d'urto e dai boom sonici che si formano davanti ai getti supersonici. La differenza è che quando una stella esplode, forma ciò che i fisici chiamano uno shock senza collisioni nel gas circostante di ioni ed elettroni liberi, o plasma. Invece di scontrarsi l'una con l'altra come farebbero le molecole d'aria, i singoli elettroni e ioni sono forzati in questo modo e in quello da intensi campi elettromagnetici all'interno del plasma. Nel processo, i ricercatori hanno elaborato, gli shock dei residui di supernova producono forti campi elettromagnetici che fanno rimbalzare le particelle cariche attraverso lo shock più volte e le accelerano a velocità estreme.

Eppure c'è un problema. Le particelle devono già muoversi abbastanza velocemente per poter attraversare lo shock in primo luogo, e nessuno è sicuro di cosa faccia accelerare le particelle. Il modo più ovvio per affrontare questo problema, noto come problema di iniezione, sarebbe studiare le supernove e vedere cosa stanno facendo i plasmi che le circondano. Ma con anche le supernove più vicine a migliaia di anni luce di distanza, è impossibile puntare semplicemente un telescopio verso di loro e ottenere abbastanza dettagli per capire cosa sta succedendo.

Fortunatamente, Fiusa, la sua collega post-dottorato Anna Grassi e i suoi colleghi avevano un'altra idea:avrebbero cercato di imitare le condizioni delle onde d'urto dei resti di supernova in laboratorio, qualcosa che i modelli informatici di Grassi indicavano potrebbe essere fattibile.

Più significativamente, la squadra avrebbe bisogno di creare un veloce, onda d'urto diffusa che potrebbe imitare gli shock dei residui di supernova. Avrebbero anche bisogno di dimostrare che la densità e la temperatura del plasma sono aumentate in modo coerente con i modelli di quegli shock e, Certo, volevano capire se l'onda d'urto avrebbe emesso elettroni a velocità molto elevate.

Accendere un'onda d'urto

Per ottenere qualcosa del genere, la squadra è andata all'impianto di accensione nazionale, una struttura per gli utenti DOE presso il Lawrence Livermore National Laboratory. Là, i ricercatori hanno sparato ad alcuni dei laser più potenti del mondo su un paio di fogli di carbonio, creando una coppia di flussi di plasma diretti l'uno nell'altro. Quando i flussi si incontrarono, le osservazioni ottiche e ai raggi X hanno rivelato tutte le caratteristiche che il team stava cercando, il che significa che avevano prodotto in laboratorio un'onda d'urto in condizioni simili a uno shock residuo di supernova.

Più importante, hanno scoperto che quando si è formato lo shock era davvero in grado di accelerare gli elettroni quasi alla velocità della luce. Hanno osservato le velocità massime degli elettroni che erano coerenti con l'accelerazione che si aspettavano in base alle proprietà d'urto misurate. Però, i dettagli microscopici di come questi elettroni hanno raggiunto queste alte velocità sono rimasti poco chiari.

Fortunatamente, i modelli potrebbero aiutare a rivelare alcuni dei punti migliori, essendo stato prima confrontato con dati sperimentali. "Non possiamo vedere i dettagli di come le particelle ottengono la loro energia anche negli esperimenti, figuriamoci nelle osservazioni astrofisiche, ed è qui che entrano in gioco le simulazioni, " disse Grassi.

Infatti, il modello al computer ha rivelato quella che potrebbe essere una soluzione al problema dell'iniezione di elettroni. I campi elettromagnetici turbolenti all'interno dell'onda d'urto stessa sembrano essere in grado di aumentare la velocità degli elettroni fino al punto in cui le particelle possono sfuggire all'onda d'urto e tornare indietro per guadagnare ancora più velocità, ha detto Fiuza. Infatti, il meccanismo che fa andare le particelle abbastanza veloci da attraversare l'onda d'urto sembra essere abbastanza simile a quello che accade quando l'onda d'urto porta le particelle a velocità astronomiche, solo su scala ridotta.

Verso il futuro

Restano le domande, però, e in esperimenti futuri i ricercatori effettueranno misurazioni dettagliate dei raggi X emessi dagli elettroni nel momento in cui vengono accelerati per studiare come le energie degli elettroni variano con la distanza dall'onda d'urto. Quella, Fiuza ha detto, limiterà ulteriormente le loro simulazioni al computer e li aiuterà a sviluppare modelli ancora migliori. E forse più significativamente, guarderanno anche i protoni, non solo elettroni, sparato dall'onda d'urto, dati che il team spera riveleranno di più sul funzionamento interno di questi acceleratori di particelle astrofisici.

Più generalmente, i risultati potrebbero aiutare i ricercatori ad andare oltre i limiti delle osservazioni astronomiche o delle osservazioni basate su veicoli spaziali degli shock molto più addomesticati nel nostro sistema solare. "Questo lavoro apre un nuovo modo per studiare la fisica degli shock dei residui di supernova in laboratorio, " ha detto Fuza.