La nébuleuse du crabe est un vestige de supernova. En l'an (occidental) 1054, Les astronomes chinois ont enregistré la supernova qui a fait exploser la nébuleuse. Crédit :NASA, ESA, J. DePasquale (STScI), et R. Hurt (Caltech/IAPC)
Niché dans la constellation du Taureau, un spectacle de gaz cosmiques tourbillonnants mesurant une demi-douzaine d'années-lumière à travers des lueurs dans des tons d'émeraude et d'auburn. La nébuleuse du Crabe est née d'une supernova, l'explosion d'une étoile géante, et maintenant, une machine de laboratoire de la taille d'une double porte reproduit comment les immenses explosions créent les tourbillons astronomiques.
"C'est six pieds de haut et ressemble à une grosse part de pizza d'environ quatre pieds de large au sommet, " a déclaré Ben Musci à propos de la machine à supernova qu'il a construite pour une étude au Georgia Institute of Technology.
La machine est également à peu près aussi mince qu'une porte et se tient verticalement avec la pointe de la "pizza" en bas. Une détonation concise dans cette pointe propulse une onde de choc vers le haut, et au milieu de la machine, l'onde traverse deux couches de gaz, les faisant se mélanger turbulentes en tourbillons comme ceux laissés par les supernovas.
La lumière laser illumine les tourbillons, et par une fenêtre, une caméra à grande vitesse avec un objectif gros plan capture la beauté ainsi que des données à l'échelle centimétrique qui peuvent être extrapolées à des échelles astronomiques à l'aide de mathématiques physiques bien établies. Pour que la machine produise des résultats utiles pour l'étude de la nature, il a fallu deux ans et demi d'ajustements techniques.
Associer des tourbillons
« Nous passons soudainement d'une chambre parfaitement immobile à une petite supernova. Il y a eu beaucoup d'ingénierie pour contenir l'explosion et en même temps la rendre réaliste là où elle frappe l'interface de gaz dans la fenêtre de visualisation, " a déclaré Devesh Ranjan, chercheur principal de l'étude et professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech.
"La partie la plus difficile était de dépanner les artefacts qui ne faisaient pas partie de la physique des supernova. J'ai passé un an à me débarrasser de choses comme une onde de choc supplémentaire rebondissant dans la chambre ou de l'air s'échappant de la pièce, " dit Musci, le premier auteur de l'étude et un assistant de recherche diplômé dans le laboratoire de Ranjan. "Je devais aussi m'assurer que la gravité, rayonnement de fond, et la température n'a pas perturbé la physique."
Les chercheurs publient leurs résultats dans Le Journal d'Astrophysique le 17 juin, 2020. La recherche a été financée par le programme Fusion Energy Science du département américain de l'Énergie. Musci prévoit de collaborer avec le Lawrence Livermore National Laboratory pour comparer les modèles de gaz de la machine avec les données réelles sur les restes de supernova.
L'explosion spéciale de Supernova
Toutes les nébuleuses ne sont pas des vestiges de supernovas, mais beaucoup le sont. Eux et d'autres restes de supernova commencent avec une étoile massive. Les étoiles sont des boules de gaz, qui sont disposés en couches, et quand une étoile explose en supernova, ces couches permettent la formation des beaux tourbillons.
"Dehors, les gaz ont une faible densité et à l'intérieur une densité élevée, et très profondément dans l'étoile, la densité commence à forcer les gaz ensemble pour faire du fer dans le noyau de l'étoile, " a déclaré Ranjan.
« Après ce point, l'étoile n'a plus de combustible nucléaire, ainsi la force extérieure provoquée par la fusion nucléaire cesse d'équilibrer la force gravitationnelle intérieure. L'extrême gravitation fait s'effondrer l'étoile, ", a déclaré Musci.
La machine de laboratoire qui génère les restes de supernova miniature mesure environ six pieds de haut. Au fond, une petite détonation d'un explosif envoie l'onde de choc vers le haut. Il passe par la fenêtre au centre, où il bloque des couches de gaz ensemble pour créer des turbulences. Une caméra ultra-rapide capture la création des formations. Crédit :Georgia Tech / Musci
Au centre de l'étoile, il y a une explosion ponctuelle, qui est la supernova. Il envoie une onde de choc se déplaçant à environ un dixième de la vitesse de la lumière déchirant les gaz, brouiller leurs couches ensemble.
Le gaz plus lourd dans les couches internes poignarde les affleurements turbulents en gaz plus léger dans les couches externes. Puis derrière l'onde de choc, chutes de pression, étirer les gaz pour un autre type de mélange turbulent.
"C'est une poussée dure suivie d'une traction ou d'un étirement prolongé, ", a déclaré Musci.
L'explosif imite la supernova
Les chercheurs ont utilisé de petites quantités d'un détonateur disponible dans le commerce (contenant du RDX, ou Bureau d'Etudes eXplosifs, et PETN, ou tétranitrate de pentaérythritol) pour produire le souffle miniature concis qui a envoyé une onde nette à travers l'interface entre les gaz les plus lourds et les plus légers de la machine.
Dans la nature, l'onde de choc sort sphériquement dans toutes les directions, et Musci a réalisé une représentation partielle de sa courbure dans l'onde de choc de la machine. Dans la nature et dans la machine, les interfaces entre les gaz sont pleines de petits, des rebondissements inégaux appelés perturbations, et l'onde de choc les frappe à des angles biaisés.
La machine de laboratoire qui génère les restes de supernova miniature mesure environ six pieds de haut. Au fond, une petite détonation d'un explosif envoie l'onde de choc vers le haut. Il passe par la fenêtre au centre, où il bloque des couches de gaz ensemble pour créer des turbulences. Une caméra ultra-rapide capture la création des formations. Ici, la machine est vue en place avec tous les équipements auxiliaires. Le premier auteur Ben Musci examine la chambre de la machine. Crédit :Georgia Tech / Musci
"C'est important pour augmenter la perturbation initiale qui conduit à la turbulence car cette irrégularité met un couple sur l'interface entre les couches de gaz, ", a déclaré Musci.
Des circonvolutions et des boucles s'ensuivent pour faire des restes de supernova, qui s'étendent pendant des milliers d'années pour devenir des formes plus douces et plus lisses qui remuent nos cœurs par leur splendeur. Aux physiciens, ces torsions initiales sont des structures très reconnaissables intéressantes pour l'étude :pointes turbulentes de gaz lourd faisant saillie dans le gaz léger, des "bulles" de gaz léger isolées dans des zones de gaz lourd, et des boucles typiques d'un écoulement turbulent précoce.
"L'une des choses les plus intéressantes que nous ayons vues est liée à un mystère sur les supernovas :elles tirent un gaz à haute densité appelé éjecta, ce qui peut aider à créer de nouvelles étoiles. Nous avons vu une partie de cette propulsion à gaz dans l'appareil où le gaz lourd était propagé dans le gaz léger, ", a déclaré Musci.
Les restes de supernova s'étendent perpétuellement à des vitesses de centaines de miles par seconde, et la nouvelle machine pourrait aider à affiner les calculs de ces vitesses et aider à caractériser les formes changeantes des restes. La supernova de la nébuleuse du Crabe a été enregistrée en l'an 1054 par des astronomes chinois, mais pour beaucoup d'autres restes, la machine pourrait également aider à calculer leur moment de naissance.
Fusion par confinement inertiel
Les idées de la machine s'appliqueraient à l'envers pour aider au développement de l'énergie de fusion nucléaire. Le processus appelé fusion par confinement inertiel applique une force et une chaleur extrêmes de l'extérieur vers l'intérieur uniformément sur une zone minuscule où deux isotopes d'hydrogène gazeux sont superposés, l'un plus dense que l'autre.
Les couches sont forcées ensemble jusqu'à ce que les noyaux des atomes fusionnent, libérer de l'énergie. Les chercheurs en fusion s'efforcent d'éliminer le mélange turbulent. Ce qui est beau dans la supernova rend la fusion nucléaire moins efficace.
