«Это шесть футов высотой и выглядит как большой кусок пиццы, шириной около четырех футов наверху», – сказал Бен Муски о машине для создания сверхновой звезды, которую он построил для исследования в Технологическом институте Джорджии.
Аппарат также примерно такой же тонкий, как дверца, и стоит вертикально так, чтобы острие «кусочка пиццы» находилось внизу.
Краткая детонация в этом наконечнике толкает взрывную волну к вершине, а в середине машины волна проходит через два слоя газа, заставляя их турбулентно смешиваться в завихрения, подобные тем, которые оставляют сверхновые.
Лазерный свет освещает завихрения, и через окно высокоскоростная камера с объективом для крупного плана фиксирует красоту вместе с данными в сантиметровом масштабе, которые могут быть экстраполированы в астрономические масштабы с использованием хорошо зарекомендовавшей себя физики и математики.
Чтобы машина давала результаты, полезные для изучения природы, потребовалось два с половиной года инженерных корректировок.
Соответствие завихрениям
"Мы внезапно переходим от совершенно неподвижной камеры к маленькой сверхновой. Было проделано много инженерных работ, чтобы сдержать взрыв и в то же время сделать его реалистичным там, где он попадает в газовый интерфейс в окне визуализации », – сказал Девеш Ранджан, главный исследователь исследования и профессор Джорджа У. Школа машиностроения Вудраффа.
"Самым сложным было устранение артефактов, не относящихся к физике сверхновых. Я потратил год на то, чтобы избавиться от таких вещей, как дополнительная ударная волна, подпрыгивающая в камере, или воздух, просачивающийся из комнаты », – сказал Муши, первый автор исследования и научный сотрудник лаборатории Ранджана. "Я также должен был убедиться, что гравитация, фоновое излучение и температура не влияют на физику."
Исследователи публикуют свои результаты в The Astrophysical Journal 17 июня 2020 г. Исследование финансировалось U.S. Программа Министерства энергетики по науке о термоядерной энергии.
Musci планирует сотрудничать с Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса, чтобы сравнить газовые схемы машины с фактическими данными об остатках сверхновых.
Особый взрыв сверхновой
Не все туманности являются остатками сверхновых звезд, но многие из них.
Они и другие остатки сверхновых начинаются с массивной звезды. Звезды представляют собой шары из газов, которые расположены слоями, и когда звезда взрывается в виде сверхновой, эти слои позволяют формировать красивые завихрения.
«Снаружи газы имеют низкую плотность, а внутри – высокую плотность, а очень глубоко в звезде плотность начинает заставлять газы вместе образовывать железо в ядре звезды», – сказал Ранджан.
"После этого у звезды заканчивается ядерное топливо, поэтому внешняя сила, вызванная ядерным синтезом, перестает уравновешивать внутреннюю гравитационную силу. "Сильная гравитация разрушает звезду", – сказал Муски.
В центре звезды есть точечный взрыв, представляющий собой сверхновую. Он посылает взрывную волну, движущуюся со скоростью примерно в одну десятую скорости света, разрывая газы, сжимая их слои вместе.
Более тяжелый газ во внутренних слоях превращает турбулентные обнажения в более легкий газ во внешних слоях. Затем за взрывной волной давление падает, вытягивая газы обратно для другого типа турбулентного перемешивания.
«Это сильный толчок, за которым следует длительная тяга или растяжка», – сказал Муски.
Взрывная имитация сверхновой
Исследователи использовали небольшие количества коммерчески доступного детонатора (содержащего гексоген, или взрывчатое вещество исследовательского отдела, и тэн, или тетранитрат пентаэритрита), чтобы сделать компактный миниатюрный взрыв, который послал чистую волну через границу раздела между более тяжелым и более легким газами в машине.
В природе взрывная волна распространяется сферически во всех направлениях, и Муски добился частичного представления ее кривизны во взрывной волне машины. В природе и в машине границы раздела между газами полны мелких, неравномерных поворотов и поворотов, называемых возмущениями, и взрывная волна бьет их под скошенными углами.
«Это важно для увеличения начального возмущения, которое приводит к турбулентности, потому что эта неравномерность создает крутящий момент на границе раздела между слоями газа», – сказал Муски.
Изгибы и завитки образуют остатки сверхновой, которые за тысячи лет расширяются, приобретая более мягкие и гладкие формы, будоражащие наши сердца своим великолепием. Для физиков эти начальные завихрения представляют собой хорошо узнаваемые структуры, интересные для изучения: турбулентные всплески тяжелого газа, выступающие в легкий газ, «пузыри» легкого газа, изолированные в областях с тяжелым газом, и завитки, типичные для ранних турбулентных течений.
"Одна из самых интересных вещей, которые мы видели, связана с загадкой сверхновых звезд – они выбрасывают газ высокой плотности, называемый выбросом, который может помочь в создании новых звезд. Мы видели часть этой газовой тяги в устройстве, где тяжелый газ переходил в легкий газ », – сказал Муски.
Остатки сверхновых постоянно расширяются со скоростью сотни миль в секунду, и новая машина может помочь уточнить расчеты этих скоростей и охарактеризовать изменяющиеся формы остатков. Сверхновая в Крабовидной туманности была зарегистрирована китайскими астрономами в 1054 году, но для многих других останков машина также может помочь вычислить момент их рождения.
Термоядерный синтез с инерционным удержанием
Идеи машины применимы в обратном порядке, чтобы помочь в развитии термоядерной энергии. Процесс, называемый термоядерным синтезом с инерционным удержанием, применяет чрезвычайную силу и тепло извне внутрь равномерно на крошечную область, где два изотопа газообразного водорода накладываются друг на друга, один плотнее другого.
Слои сжимаются, пока ядра атомов не сливаются, высвобождая энергию. Исследователи Fusion стремятся устранить турбулентное перемешивание.
Что прекрасного в сверхновой, делает ядерный синтез менее эффективным.
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = w1zFFSOeOeM & feature = emb_logo