巨型激光器有助於重新創建超新星的爆炸性，神秘的物理

當Hye-Sook Park的一個實驗進展順利時，附近的每個人都知道。她聽到同事說：“我們可以聽到Hye-sook的尖叫聲。”

她不能忍受興奮也就不足為奇了。她對爆炸恆星或超新星的物理學進行了特寫，這是一種如此巨大的現象，以至於它的力量很難說出來。

Park是加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的物理學家帕克（Park），與其研究這些爆炸，而是使用世界上最高的激光器創造了類似於這些陣發性爆炸的東西。

大約10年前，Park及其同事們開始尋求了解超新星的迷人且知之甚少的特徵：爆炸後形成的衝擊波可以將質子和電子等粒子提升到極端能量。

“超新星衝擊被認為是宇宙中一些最強大的粒子加速器，”位於加利福尼亞州門洛公園的SLAC國家加速器實驗室的等離子體物理學家Frederico Fiuza是Park的合作者之一。

在宇宙距離快節奏的馬拉鬆比賽之後，其中一些顆粒最終猛撞了地球。長期以來，科學家一直困擾著這樣的波浪如何使能量顆粒的速度提高。現在，Park及其同事終於在實驗室中創造了超新星風格的衝擊波，並看著它使粒子刺痛，揭示了有關宇宙中這種情況如何發生的新提示。

將超新星物理學帶到地球可以幫助解決宇宙的其他奧秘，例如宇宙磁場的起源。而且，物理學家被超新星著迷。這些爆炸提供了我們生存所需的一些基本構件。 “我們的血液中的鐵來自超新星，”安阿伯密歇根大學的血漿物理學家卡羅琳·庫蘭茨（Carolyn Kuranz）說，他也在實驗室學習超新星。 “我們實際上是由星星創造的。”

幸運之星

作為1980年代的一名研究生，帕克在俄亥俄州伊利湖下的一個工作鹽礦中進行了600米的實驗。該實驗被稱為Irvine-Michigan-Brookhaven的IMB，並非旨在研究超新星。但是研究人員很幸運。一顆星星在銀河系中爆炸，IMB捕獲了從該噴發中彈出的顆粒。那些來自宇宙爆炸的使者，輕巧的亞原子粒子稱為中微子，揭示了有關超新星的大量新信息。

但是我們宇宙附近的超新星很少見。因此，幾十年後，帕克沒有等待第二場幸運活動。

取而代之的是，她的團隊和其他人正在使用極強的激光重新創建Supernova Blast爆炸後看到的物理學。激光使一個小目標蒸發，該目標可以由各種材料（例如塑料）製成。打擊會產生快速移動等離子體的爆炸，即帶電顆粒的混合物，模仿了從超新星爆發的血漿的行為。

當巨大的恆星耗盡其燃料並且核心崩潰和籃板時，恆星爆炸就會觸發。恆星的外層在爆炸中向外爆炸在整個100億年的壽命中，這可以釋放出比太陽釋放的能量更多的能量。流出具有不可思議的100億千萬千萬的動能（SN：2/8/17，p。 24）。

當一個叫做白矮人的死星被重新點燃時，超新星也可能發生，例如從伴侶明星中浸泡氣，導致一系列核反應爆發失控（SN：16年4月30日，p。 20）。

在這兩種情況下，當爆炸發出一陣恆星的血漿爆炸並進入其周圍環境，即星際介質（本質上是另一個血漿顆粒海洋）時，事情確實都在做飯。隨著時間的流逝，一種動蕩的，不斷擴展的結構稱為超新星殘留形式，呈現出美麗的燈光秀，遍布數十光年，在最初爆炸後數千年可以持續數千年。公園及其同事正在探索的是浪漫的殘餘物。

出於明顯的原因，在實驗室中研究超新星物理學與真正的交易完全相同。帕克說：“我們不能真正在實驗室中創建一個超新星，否則我們將被爆炸。”

代替自我宣傳，Park和其他人專注於尺寸和及時縮小的超新星版本。物理學家並沒有立即重現全部超新星，而是在每個實驗中嘗試隔離發生的物理的有趣組成部分。帕克說，出於超新星的巨大復雜性，“我們實際上只是在研究其中的一小部分。”

對於太空中的爆炸，科學家受到自然的擺佈。但是在實驗室中，“您可以更改參數，看看震驚的反應，”與Park合作的普林斯頓大學的天體物理學家Anatoly Spitkovsky說。

實驗室爆炸發生在瞬間，很小，只有幾厘米。例如，在庫蘭茲的實驗中，在真正的超新星生命中相當於15分鐘，只能花費10億個一秒鐘。恆星爆炸的一部分大於地球直徑，可以縮小到100微米。庫蘭茲說：“這兩個過程非常相似。” “這讓我震驚。”

激光重點

要復制超新星的物理學，實驗室爆炸必須創造極端的環境。為此，您需要一個非常大的激光器，只能在世界上幾個地方找到，例如NIF，勞倫斯·利弗莫爾（Lawrence Livermore）的國家點火設施以及紐約羅切斯特大學的歐米茄激光設施。

在兩個地方，一個激光分為許多光束。 NIF的世界上最大的激光具有192個光束。這些梁中的每一個都被放大以呈指數增大的能量。然後，在小精心設計的目標上訓練了一些或全部梁。 NIF的激光器可以短暫地發射500萬億瓦的電源，暫時超過了美國的總功率使用量一千倍。

NIF或Omega的單個實驗稱為射擊，是激光器的爆炸。每鏡頭都是很大的作品。使用此類先進設施的機會很少，研究人員希望將所有細節熨平，以確信實驗將取得成功。

當鏡頭即將發生時，會有空間發出的氛圍。操作員從裝滿屏幕的控制室監視設施。當激光爆炸的時間接近時，聲音開始倒數：“十，九，八……”

牛津大學的等離子物理學家Jena Meinecke說：“當他們倒數射擊時，您的心臟就在跳動。

在鏡頭的那一刻，“你有點想要大地搖晃，”庫蘭茲說。但是，相反，您可能只會聽到一張快照 - 電容器發出的聲音，這些電容器為每次拍攝儲存了大量能量。

然後是瘋狂的表現，以審查結果並確定實驗是否成功。 “這是很多腎上腺素，”庫蘭茨說。

激光並不是研究實驗室中超新星物理學的唯一方法。一些研究人員使用強烈的電力爆發，稱為脈衝功率。其他人則使用少量炸藥來爆炸。各種技術可用於了解超新星生活中的不同階段。

真正的震驚

公園充滿了宇宙水平的熱情，隨時準備響應新的數據塊或她的實驗中的新成功。她說，重新創建了實驗室中超新星的某些物理學的聲音，這聽起來確實如此引人注目。 “否則我不會努力。”與Spitkovsky和Fiuza一起，Park是與激光協作或ACSEL進行了十多名無碰撞衝擊實驗的科學家，或者ACSEL是十年前開始的Quest Park。他們的重點是衝擊波。

劇烈輸入能量的結果，電擊波的溫度，密度和壓力突然升高。在地球上，衝擊波會導致超音速射流的聲音繁榮，風暴中的雷聲和破壞性壓力波可以粉碎窗戶大規模爆炸後。當空氣分子互相猛擊，將分子堆積為高密度，高壓和高溫波時，這些衝擊波形成。

在宇宙環境中，衝擊波不是出現在空氣中，而是在等離子體中，質子，電子和離子，電荷原子的混合物。在那裡，顆粒可能足夠擴散，以致它們不會像空氣中那樣直接碰撞。在這樣的血漿中，顆粒的堆積是間接發生的，是電磁力推動和拉動顆粒的結果。牛津大學物理學家吉安盧卡·格雷戈里（Gianluca Gregori）說：“如果粒子改變軌跡，那是因為它感覺到磁場或電場。”

但是，這些田地的形成和增長以及這種衝擊波的產生方式完全難以破譯。研究人員無法在真正的超新星中查看這一過程。細節太小，無法使用望遠鏡觀察。

這些衝擊波被稱為無碰撞衝擊波，引人入勝的物理學家。斯皮特科夫斯基說：“這些衝擊中的顆粒可以達到驚人的能量。”在超新星殘留物中，顆粒最多可獲得1000萬億電子伏特，超過了最大的人為粒子加速器（Geneva附近的大型強子對撞機）中達到的幾萬億電子伏特。但是，顆粒如何衝浪超新星衝擊波以達到其驚人的能量仍然是神秘的。

磁場起源

要了解超新星衝擊波如何增強顆粒，您必須了解超新星殘留物中的衝擊波如何形成。要到達那裡，您必須了解強烈的磁場的出現。沒有它們，衝擊波就無法形成。

電場和磁場緊密地交織在一起。當電荷顆粒移動時，它們會形成微小的電流，從而產生小磁場。磁場本身發送帶電的顆粒開瓶器，彎曲其軌跡。移動磁場還會產生電場。

結果是一個複雜的反饋過程，即徘徊顆粒和場，最終產生衝擊波。 Spitkovsky說：“這就是為什麼它如此引人入勝的原因。這是一種自我調節，自我控制，自我複制的結構。” “就像它快還活著。”

所有這些複雜性只能在形成磁場後發展。但是單個顆粒的隨意運動僅產生小的瞬態磁場。要創建一個重要的場，超新星殘留物中的某些過程必須加強並擴大磁場。長期以來，人們一直期望這是一個稱為Weibel不穩定性的理論過程，該過程是在1959年首次考慮的。

在超新星中，爆炸中向外流的等離子體符合星際介質的等離子體。根據芯片不穩定性背後的理論，兩組等離子體彼此流式傳輸時，兩隻用手指隔開。這些細絲的作用像電流電線。還有電流的地方，有一個磁場。細絲的磁場增強了電流，進一步增強了磁場。科學家懷疑電磁場可能會變得足夠強，可以重新穿刺和放慢顆粒，從而使它們堆積成衝擊波。

在2015年自然物理學，ACSEL團隊報告瞥見芯片的不穩定在歐米茄的實驗中。研究人員發現了磁場，但沒有直接檢測到電流的細絲。最後，今年5月29日物理評論信，該小組報告了一個新的實驗已經產生第一個直接測量在造成微型不穩定性的導致的電流中，科學家對超新星殘留物中強烈的磁場如何形成的想法。

對於同樣在歐米茄的新實驗，ACSEL研究人員在兩個彼此面對的兩個目標上炸毀了七個激光器。這導致了兩條血漿以每秒1,500公里的速度相互流動的流動流 - 這一速度足夠快，可以在不到一分鐘的時間內兩次繞地球圈出。當兩個流相遇時，它們分為電流的細絲，就像預期的那樣，產生30特斯拉的磁場，約為許多MRI機器中磁場強度的20倍。

Fiuza說：“我們發現的基本上是這張已有60年的教科書圖片，現在我們終於能夠通過實驗看到它了。”

衝擊波

研究人員看到磁場後，下一步就是創建一個衝擊波並觀察到它加速顆粒。但是，帕克說：“無論我們在歐米茄上嘗試了多少，我們都無法造成震驚。”

他們需要國家點火設施及其更大的激光。

在那裡，研究人員擊中了兩個磁盤形目標，每個磁盤形目標有84張激光束，即近半百萬的焦耳能量，與每小時60英里的汽車的動能相同。

兩個等離子體互相湧現。這等離子體的密度和溫度玫瑰研究人員在9月份報導了兩者相撞的地方自然物理學。 “毫無疑問，”帕克說。該小組看到了衝擊波，特別是在超新星中發現的無碰撞類型。實際上，有兩個衝擊波，每個波浪都離開了。

帕克（Park）學習結果激發了歡樂的慶祝時刻：對所有人來說，五個五人。

“這是這些無碰撞衝擊形成的第一個實驗證據，”倫敦帝國學院的等離子體物理學家弗朗西斯科·蘇珊·維達爾（Francisco Suzuki-Vidal）說，他沒有參與這項研究。 “這確實很難在實驗室中復制。”

該小組還發現，電擊波加速了電子，達到了100倍以上的能量，其高度是環境等離子體中顆粒的能量。科學家第一次看著粒子像超新星殘留物中的那樣瀏覽了衝擊波。

但是小組仍然不明白這是怎麼發生的。

在超新星殘留物和實驗中，當少數顆粒越過衝擊波時會加速少數顆粒，反復反复地逐漸延伸以積累能量。但是要越過衝擊波，電子需要一些能量才能開始。 Fiuza說，這就像一個大浪沖浪者試圖捕捉大量膨脹。簡單地划船就無法捕捉如此大的波浪。但是，隨著摩托艇牽引衝浪者提供的能量，他們可以利用波浪的能量並騎膨脹。

“我們試圖理解的是：我們的摩托艇是什麼？在這種環境下，這些微小的電子能夠變得足夠充滿活力，以便他們可以騎行並在此過程中加速加速？” Fiuza說。

研究人員進行了計算機模擬，該模擬表明衝擊波具有一個過渡區域，其中磁場變得湍流且混亂。這暗示湍流場是摩托艇：其中一些顆粒散佈在其中，使它們能夠越過衝擊波。

喚醒電話

巨大的激光設施（例如NIF和Omega）通常是為了研究核融合而建造的，這是為太陽提供動力的相同能源。使用激光壓縮和加熱目標會導致核相互融合，從而在此過程中釋放能量。希望這樣的研究可以導致融合發電廠，它可以提供能量而無需發射溫室氣或危險的核廢料（SN：4/20/13，p。 26）。但是到目前為止，科學家尚未從融合中獲得更多的能量，而不是他們投入的能量，這是實用發電的必要性。

因此，這些激光設施將其許多實驗用於追逐融合能力。但是有時候，像Park這樣的研究人員會有機會研究問題，而不是解決世界的能源危機，而是出於好奇 - 想知道當恆星爆炸時會發生什麼。儘管如此，以迴旋的方式，了解超新星也可以幫助使融合能力成為現實，因為天體等離子體表現出與融合反應器中等離子體相同的行為。

在NIF，Park還研究了融合實驗。自從研究生時代以來，她已經研究了各種各樣的主題，從美國“星球大戰”導彈防禦計劃，到為送入月球的衛星設計相機，到尋找稱為Gamma-ray爆發的高能宇宙燈光燃料的來源。儘管她對每個主題充滿熱情，但“在所有這些項目中，”她說：“這個特殊的無碰撞震動項目恰好是我的愛。”

在她的職業生涯的早期，回到鹽礦的實驗中，帕克首次對發現的刺激了。甚至在IMB從超新星捕獲中微子之前，一個不同的意外中微子在檢測器中彈出。粒子已經穿過整個地球，從底部到達實驗。帕克（Park）在凌晨4點分析數據時找到了中微子，並醒來了她所有的合作者，告訴他們有關此事的信息。這是任何從事實驗的人第一次看到一個粒子從下方出現。帕克回憶說：“我仍然清楚地記得我看到沒人看到的東西的時候。”

她說，現在她仍然有同樣的感覺。當她看到一些新的東西描述了令人難以置信的巨大爆炸物理學時，歡樂的尖叫聲就爆發了。