Dans tout l'univers, les ondes de choc supersoniques propulsent les rayons cosmiques et les particules de supernova à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Les chocs astrophysiques les plus énergétiques se produisent trop loin du système solaire pour être étudiés en détail et ont longtemps intrigué les astrophysiciens. Les chocs plus proches de la Terre peuvent être détectés par les engins spatiaux, mais ils passent trop vite pour sonder la formation d'une vague.

Ouvrir la porte à une nouvelle compréhension

Aujourd'hui, une équipe de scientifiques a généré les premières ondes de choc à haute énergie en laboratoire, ouvrant la porte à une nouvelle compréhension de ces processus mystérieux. "Nous avons pour la première fois développé une plate-forme pour étudier les chocs hautement énergétiques avec une flexibilité et un contrôle plus grands que ce qui est possible avec les engins spatiaux, " a déclaré Derek Schaeffer, un physicien à l'Université de Princeton et au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), et auteur principal d'un article de juillet dans Lettres d'examen physique qui décrit les expériences.

Schaeffer et ses collègues ont mené leurs recherches sur l'installation laser Omega EP au Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester. Le physicien du PPPL, Will Fox, a collaboré au projet. qui a conçu l'expérience, et des chercheurs de Rochester et des universités du Michigan et du New Hampshire. "Cela permet de comprendre l'évolution des processus physiques en cours à l'intérieur des ondes de choc, " a déclaré Fox à propos de la plate-forme.

Pour produire la vague, les scientifiques ont utilisé un laser pour créer un plasma à haute énergie - une forme de matière composée d'atomes et de particules atomiques chargées - qui s'est étendu en un plasma magnétisé préexistant. L'interaction créée, en quelques milliardièmes de seconde, une onde de choc magnétisée qui s'est étendue à une vitesse de plus de 1 million de miles par heure, congruents avec les chocs au-delà du système solaire. La vitesse rapide représentait un "nombre de Mach magnétosonique" élevé et l'onde était "sans collision, " imitant les chocs qui se produisent dans l'espace où les particules sont trop éloignées les unes des autres pour entrer fréquemment en collision.

Découverte par hasard

La découverte de cette méthode de génération d'ondes de choc s'est en fait produite par accident. Les physiciens avaient étudié la reconnexion magnétique, le processus dans lequel les lignes de champ magnétique dans le plasma convergent, séparer et se reconnecter énergétiquement. Pour étudier le flux de plasma dans l'expérience, les chercheurs ont installé un nouveau diagnostic sur l'installation laser de Rochester. A leur grande surprise, le diagnostic a révélé une forte pentification de la densité du plasma, qui a signalé la formation d'une onde de choc à nombre de Mach élevé.

Pour simuler les résultats, les chercheurs ont exécuté un code informatique appelé "PSC" sur le supercalculateur Titan, l'ordinateur américain le plus puissant, hébergé à Oak Ridge Leadership Computing Facility du DOE. La simulation a utilisé les données dérivées des expériences et les résultats du modèle concordaient bien avec les images diagnostiques de la formation du choc.

Aller de l'avant, la plate-forme du laboratoire permettra de nouvelles études sur la relation entre les chocs sans collision et l'accélération des particules astrophysiques. La plateforme « complète les observations actuelles de télédétection et d'engins spatiaux, " les auteurs ont écrit, et « ouvre la voie à des études de laboratoire contrôlées sur les chocs à nombre de Mach élevé ».