实验室激波模拟了恒星爆炸后的天体物理粒子加速效应

计算机模拟实验揭示出两个相互远离的激波中磁场的湍流结构。

当恒星爆炸成为超新星时，它们会在周围的等离子体中产生冲击波。这些冲击波非常强大，甚至可以充当粒子加速器：以接近光速的速度将粒子流喷射到宇宙中。然而，这一过程是如何完成的，仍然是个谜。

据美国“物理学组织”网站6月8日消息称，科学家们通过创建一个缩小版的冲击实验室，发明了一种新的方法来研究天体物理冲击波的内部运作机制。他们发现，天体物理冲击波会在微观尺度上，逐渐发展出湍流，而湍流将在这些电子被提升到令人难以置信的速度之前，将它们踢向激波。

超新星遗迹会产生高强度的电磁场，并让带电粒子在冲击波中多次反弹，再最终将它们加快到极速。不过，这些粒子首先必须移动得非常迅速，才能穿透激波，而目前还没有人确定究竟是什么因素导致粒子加速。要解决这个问题，最直观的方式就是去研究超新星，看看它们周围的等离子体是什么状态。

该项研究的负责人、美国能源部SLAC国家加速器实验室的资深科学家Frederico Fiuza介绍道：“这些令人着迷的物理系统距离太远，我们很难对它们进行研究。尽管我们并不打算在实验室中制造出超新星残骸，但是我们可以在那里获得更多关于天体物理冲击波物理机制的知识，并验证数据模型。”

他们发现，激波形成时确实能够将电子加速到接近光速，并且电子的最高速率与他们基于激波特性测量值的预期加速度是一致的。然而，这些电子是如何达到如此高速的微观细节仍然不甚明了。幸运的是，以实验数据为基准的数据模型可以帮助揭示部分细微因素。

研究小组成员、博士后Anna Grassi解释道：“即便是在实验中，我们也无法观测到粒子获得能量的细节。这正是模拟实验大有作为的领域。”

数据模型给出了针对这一问题的解决方案：激波内部的湍流电磁场似乎能够提升电子的速度，让这些粒子能够逃离激波并再次穿越回来，以获得更快的速度。事实上，让粒子以足够快的速度穿过冲击波的机制，与冲击波让粒子以天文速度穿过冲击波的机制非常相似，只不过前者局限在更小的范围内。

更具普遍意义的是，这些发现可以帮助研究人员超越天文观测手段的限制，并更好地利用太空飞船上的设备去观测太阳系中相对温和的激波。Fiuza评论道：“这项工作为在实验室中研究超新星遗迹的物理现象，开辟出一条崭新的路径。”

原创编译：朱明逸 审稿：alone 责编：雷鑫宇

期刊来源： 《自然·物理学》

期刊编号： 1745-2473

原文链接： https://phys.org/news/2020-06-lab-mimic-astrophysical-particle-powered.html

版权声明：本文为原创编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源。