為什么超新星爆炸時(shí)，能將粒子加速到接近光速再噴射到宇宙中？

當(dāng)恒星以超新星的形式爆炸時(shí)，會(huì)在周圍的等離子體中產(chǎn)生沖擊波。這些沖擊波如此強(qiáng)大，它們可以充當(dāng)粒子加速器，以接近光速的速度將粒子流（宇宙射線）噴射到宇宙中，然而是如何做到這一點(diǎn)的，仍然是一個(gè)謎。現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種新方法，可以研究天體物理沖擊波的內(nèi)部工作原理，方法是在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建一個(gè)縮小版本的沖擊波。

研究發(fā)現(xiàn)，天體物理沖擊在非常小的尺度上發(fā)展出湍流（天文觀測(cè)無法看到的尺度）在電子被提升到最終令人難以置信的速度之前，這有助于將電子踢向沖擊波。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)新研究的能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室高級(jí)職員科學(xué)家弗雷德里科·菲烏扎(Frederico Fiuza)說：這些系統(tǒng)很吸引人，但因?yàn)樗鼈冸x我們太遠(yuǎn)，很難對(duì)其進(jìn)行研究，不能在實(shí)驗(yàn)室里制造超新星殘骸，但可以在那里了解更多天體物理沖擊的物理知識(shí)，并驗(yàn)證模型。

噴射注入問題

超新星周圍的天體物理沖擊波與超音速噴氣式飛機(jī)前方形成的沖擊波和音爆沒有什么不同。不同的是，當(dāng)一顆恒星爆炸時(shí)，它在周圍的離子和自由電子氣體或等離子體中形成了物理學(xué)家所說的無碰撞沖擊波。與空氣分子不同的是，單個(gè)電子和離子受到等離子體內(nèi)強(qiáng)烈電磁場(chǎng)這樣和那樣的強(qiáng)迫。在這個(gè)過程中，研究人員已經(jīng)計(jì)算出，超新星殘骸激波會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，使帶電粒子多次在激波中反彈，并將它們加速到極高的速度。

然而，這其中存在一個(gè)問題，粒子首先必須以相當(dāng)快的速度移動(dòng)才能穿過沖擊波，而且沒有人確定是什么讓粒子加速。要解決這個(gè)問題，即所謂的噴射問題，最明顯的方法是研究超新星，看看它們周圍的等離子體在做什么。但是，即使是距離最近的超新星也在數(shù)千光年之外，要簡單地用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)它們并獲得足夠的細(xì)節(jié)來了解正在發(fā)生的事情是不可能的。幸運(yùn)的是，研究人員有另一個(gè)想法：試圖模擬實(shí)驗(yàn)室中超新星殘骸的沖擊波條件。

最重要的是，研究小組需要?jiǎng)?chuàng)造一種快速、彌散的沖擊波，以模擬超新星殘馀沖擊波。還需要證明等離子體的密度和溫度以與這些沖擊模型一致的方式增加，當(dāng)然也想知道沖擊波是否會(huì)以非常高的速度發(fā)射電子。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，研究小組前往國家點(diǎn)火設(shè)施，這是美國能源部在勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)用戶設(shè)施。在那里，研究人員將一些世界上最強(qiáng)大的激光發(fā)射到一對(duì)碳片上，產(chǎn)生了一對(duì)直接對(duì)準(zhǔn)彼此的等離子體流。

“燃點(diǎn)”沖擊波

當(dāng)氣流相遇時(shí)，光學(xué)和X射線觀測(cè)揭示了團(tuán)隊(duì)正在尋找的所有特征，這意味著在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生了類似于超新星殘余沖擊波的沖擊波。最重要的是，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊波形成時(shí)，它確實(shí)能夠?qū)㈦娮蛹铀俚浇咏馑佟Ｓ^測(cè)到的最大電子速度與基于測(cè)量的沖擊波特性預(yù)期加速度一致。然而，這些電子如何達(dá)到如此高速的微觀細(xì)節(jié)仍不清楚。幸運(yùn)的是，這些模型可以幫助揭示一些細(xì)微之處，因?yàn)樗鼈兪紫仁歉鶕?jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試的。

即使在實(shí)驗(yàn)中，也看不到粒子如何獲得能量的細(xì)節(jié)，更不用說在天體物理觀測(cè)中了，這才是模擬真正發(fā)揮作用的地方。事實(shí)上，計(jì)算機(jī)模型揭示了電子注入問題的可能解決方案，沖擊波本身內(nèi)的湍流電磁場(chǎng)，似乎能夠?qū)㈦娮铀俣忍岣叩搅Ｗ涌梢蕴与x沖擊波并再次穿越以獲得更高速度的程度。事實(shí)上，讓粒子以足夠快的速度，穿過沖擊波的機(jī)制似乎與沖擊波使粒子達(dá)到天文數(shù)字速度時(shí)發(fā)生的事情非常相似，只是規(guī)模較小。

未來的研究

然而，問題仍然存在，在未來的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將對(duì)電子加速時(shí)發(fā)出的X射線進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，以研究電子能量如何隨著距離沖擊波的距離而變化。這將進(jìn)一步限制計(jì)算機(jī)模擬，并幫助開發(fā)出更好的模型。也許最重要的是，還將研究由沖擊波發(fā)射的質(zhì)子，而不僅僅是電子，研究小組希望這些數(shù)據(jù)能揭示更多關(guān)于這些天體物理粒子加速器的內(nèi)部工作原理。更廣泛地說，這些發(fā)現(xiàn)可以幫助研究人員超越天文觀測(cè)，也為在實(shí)驗(yàn)室研究超新星殘馀激波的物理學(xué)開辟了一條新途徑。

博科園｜研究/來自：SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室

研究發(fā)表期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-020-0919-4

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