Pour étudier les puissantes ondes de choc dans les restes de supernova, Frederico Fiuza et ses collègues ont créé des ondes de choc plasma similaires en laboratoire. Ici, des simulations informatiques révèlent la structure turbulente du champ magnétique en deux ondes de choc s'éloignant l'une de l'autre. Crédit :Frederico Fiuza/SLAC National Accelerator Laboratory
Quand les étoiles explosent en supernova, ils produisent des ondes de choc dans le plasma qui les entoure. Si puissantes sont ces ondes de choc, ils peuvent agir comme des accélérateurs de particules qui projettent des flux de particules, appelés rayons cosmiques, dans l'univers à presque la vitesse de la lumière. Pourtant, comment ils font exactement cela est resté un mystère.
Maintenant, les scientifiques ont mis au point une nouvelle façon d'étudier le fonctionnement interne des ondes de choc astrophysiques en créant une version réduite du choc en laboratoire. Ils ont découvert que les chocs astrophysiques développent des turbulences à de très petites échelles - des échelles qui ne peuvent pas être vues par des observations astronomiques - qui aident les électrons à se diriger vers l'onde de choc avant qu'ils ne soient amplifiés jusqu'à leur finale, vitesses incroyables.
"Ce sont des systèmes fascinants, mais parce qu'ils sont si loin, il est difficile de les étudier, " dit Frederico Fiuza, un scientifique senior au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, qui a dirigé la nouvelle étude. "Nous n'essayons pas de fabriquer des restes de supernova en laboratoire, mais nous pouvons en apprendre davantage sur la physique des chocs astrophysiques là-bas et valider des modèles. »
Le problème des injections
Les ondes de choc astrophysiques autour des supernovas ne sont pas sans rappeler les ondes de choc et les bangs soniques qui se forment devant les jets supersoniques. La différence est que lorsqu'une étoile explose, il forme ce que les physiciens appellent un choc sans collision dans le gaz environnant d'ions et d'électrons libres, ou plasma. Plutôt que de se heurter comme le feraient les molécules d'air, les électrons et les ions individuels sont forcés de cette façon et cela par des champs électromagnétiques intenses dans le plasma. Dans le processus, les chercheurs ont travaillé, les chocs résiduels de supernova produisent des champs électromagnétiques puissants qui font rebondir les particules chargées à travers le choc plusieurs fois et les accélèrent à des vitesses extrêmes.
Pourtant, il y a un problème. Les particules doivent déjà se déplacer assez rapidement pour pouvoir traverser le choc en premier lieu, et personne n'est sûr de ce qui accélère les particules. La façon évidente de résoudre ce problème, connu sous le nom de problème d'injection, serait d'étudier les supernovas et de voir à quoi servent les plasmas qui les entourent. Mais même avec les supernovas les plus proches à des milliers d'années-lumière, il est impossible de simplement pointer un télescope sur eux et d'obtenir suffisamment de détails pour comprendre ce qui se passe.
Heureusement, Fiuza, sa stagiaire postdoctorale Anna Grassi et ses collègues ont eu une autre idée :ils essaieraient d'imiter les conditions d'ondes de choc des restes de supernova en laboratoire, quelque chose que les modèles informatiques de Grassi ont indiqué pourrait être faisable.
Plus important encore, l'équipe aurait besoin de créer un rapide, onde de choc diffuse qui pourrait imiter les chocs résiduels de supernova. Ils devraient également montrer que la densité et la température du plasma ont augmenté de manière cohérente avec les modèles de ces chocs - et, bien sûr, ils voulaient comprendre si l'onde de choc allait projeter des électrons à des vitesses très élevées.
Pour imiter les ondes de choc dans un reste de supernova, Les chercheurs du SLAC et leurs collègues ont tiré des lasers puissants sur le National Ignition Facility sur deux cibles de carbone, envoyer deux flux de plasma l'un dans l'autre. Où ils se sont rencontrés, les plasmas ont formé des ondes de choc similaires à celles observées dans les chocs astrophysiques. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Déclencher une onde de choc
Pour arriver à quelque chose comme ça, l'équipe s'est rendue au National Ignition Facility, une installation d'utilisateurs du DOE au Lawrence Livermore National Laboratory. Là, les chercheurs ont tiré certains des lasers les plus puissants du monde sur une paire de feuilles de carbone, créant une paire de flux de plasma dirigés directement l'un dans l'autre. Lorsque les flux se sont rencontrés, les observations optiques et aux rayons X ont révélé toutes les caractéristiques recherchées par l'équipe, ce qui signifie qu'ils avaient produit en laboratoire une onde de choc dans des conditions similaires à un choc résiduel de supernova.
Plus important encore, ils ont découvert que lorsque le choc s'est formé, il était en effet capable d'accélérer les électrons à presque la vitesse de la lumière. Ils ont observé des vitesses d'électrons maximales conformes à l'accélération attendue sur la base des propriétés de choc mesurées. Cependant, les détails microscopiques de la façon dont ces électrons ont atteint ces vitesses élevées sont restés flous.
Heureusement, les modèles pourraient aider à révéler certains des points fins, ayant d'abord été comparée à des données expérimentales. "Nous ne pouvons pas voir les détails de la façon dont les particules obtiennent leur énergie même dans les expériences, encore moins dans les observations astrophysiques, et c'est là que les simulations entrent vraiment en jeu, " dit Grassi.
En effet, le modèle informatique a révélé ce qui pourrait être une solution au problème d'injection d'électrons. Les champs électromagnétiques turbulents au sein de l'onde de choc elle-même semblent être capables d'augmenter la vitesse des électrons jusqu'au point où les particules peuvent échapper à l'onde de choc et se retraverser pour gagner encore plus de vitesse, dit Fiuza. En réalité, le mécanisme qui fait que les particules vont assez vite pour traverser l'onde de choc semble être assez similaire à ce qui se passe lorsque l'onde de choc amène les particules à des vitesses astronomiques, juste à plus petite échelle.
Vers le futur
Des questions demeurent, cependant, et dans les expériences futures, les chercheurs effectueront des mesures détaillées des rayons X émis par les électrons au moment où ils sont accélérés pour étudier comment les énergies des électrons varient en fonction de la distance par rapport à l'onde de choc. Cette, Fiuza a dit, limitera davantage leurs simulations informatiques et les aidera à développer des modèles encore meilleurs. Et peut-être le plus important, ils examineront également les protons, pas seulement des électrons, déclenché par l'onde de choc, des données qui, espère l'équipe, en révéleront davantage sur le fonctionnement interne de ces accélérateurs de particules astrophysiques.
Plus généralement, les résultats pourraient aider les chercheurs à aller au-delà des limites des observations astronomiques ou des observations basées sur des engins spatiaux des chocs beaucoup plus doux de notre système solaire. "Ce travail ouvre une nouvelle voie pour étudier la physique des chocs résiduels de supernova en laboratoire, " a déclaré Fiuza.
