Pomocou laserov k pochopeniu supernov - časť 2/3
Valentín Korinek - 2021-01-06

Vedci hlbšie skúmajú fyziku supernov pomocou najenergetickejších laserov na svete, ako je napríklad laser OMEGA (zobrazený) na Univerzite v Rochestri (New York). (Eugene Kowaluk / ULfLE Rochester)

Pri štúdiu skutočných supernov sa musí aj v laboratórnych explóziách vytvoriť extrémne prostredie. Potrebujete na to skutočne obrovský laser, ktorý nájdete iba na niekoľkých miestach na svete, napríklad *NIF Lawrenca Livermora a *OMEGA Laserové zariadenie na Rochesterskej universite  v New Yorku.


...prvú časť nájdete v článku Pomocou laserov k pochopeniu supernov - časť 1/3...


Na oboch pracoviskách sú lasery rozdelené na viacero lúčov. Najväčší laser na svete, v NIF, má 192 lúčov. Každý z týchto lúčov je zosilnený, aby exponenciálne zvýšil svoju energiu. Potom sú niektoré alebo všetky tieto lúče zamerané na malý, starostlivo navrhnutý cieľ. Laser NIF dokáže na krátky okamih dodať viac ako 500 biliónov wattov energie a na chvíľu tak prevýšiť celkovú spotrebu energie v Spojených štátoch tisíckrát.


Lasery nie sú jediným spôsobom, ako v laboratóriu skúmať fyziku supernov. Niektorí vedci používajú intenzívne výbuchy elektriny, ktoré voláme impulzná energia. Iní používajú na odpálenie výbuchov malé množstvo výbušnín. Rôzne techniky možno použiť na pochopenie rôznych etáp v živote supernov.
Niekoľko vedcov je zapojených do experimentu Astrophysical Collisionless Shock Experiments with Lasers cooperation alebo ACSEL, ktorý začala Parková pred desiatimi rokmi. Experiment sa zameriava na rázové vlny.



V cieľovej komore NIF (snímka zhotovená počas údržby) sa zbieha 192 laserových lúčov. Výbuchy produkujú oblak plazmy, ktorý môže napodobňovať niektoré aspekty zvyškov supernovy. (Lawrence Livermore National Laboratory)


Výsledkom prudkého vstupu energie sú vlny, ktoré sa vyznačujú prudkým zvýšením teploty, hustoty a tlaku. Na Zemi spôsobujú nárazové vlny zvukový efekt výbuch, napr. pri prekročení rýchlosti zvuku u  lietadla alebo pri bleskoch, kde ich dopad sprevádzajú hromy alebo dopad väčšieho telesa na Zem, ako sa to stalo v roku 2013 v Čeljabinsku, kedy rázová vlna rozbíjala okná. Tieto rázové vlny sa vytvárajú tak, že molekuly vzduchu narážajú jedna do druhej a hromadia sa do vĺn s vysokou hustotou, vysokým tlakom a vysokou teplotou.


V kozmickom prostredí sa rázové vlny nevyskytujú, pretože tam nie je vzduch. Nájdeme ich ale v plazme, zmesi protónov, elektrónov a iónov, elektricky nabitých atómov. Tam môžu byť častice dostatočne difúzne, aby sa priamo nezrážali ako vo vzduchu. V takejto plazme dochádza k hromadeniu častíc nepriamo, čo je výsledkom elektromagnetických síl, ktoré častice tlačia a ťahajú. Ak častica zmení trajektóriu, je to preto, že “cíti“ magnetické pole alebo elektrické pole.


To, ako sa tieto polia formujú a rastú a ako taká rázová vlna vedie však bolo ťažké dešifrovať. Vedci nemajú možnosť vidieť tento proces v skutočných supernovách; detaily sú príliš malé na to, aby sme ich mohli pozorovať pomocou ďalekohľadov.


Častice v týchto rázových vlnách môžu dosiahnuť úžasnú energiu. V pozostatkoch supernovy môžu častice získať až 1 000 biliónov elektrónvoltov, čo výrazne predčí niekoľko biliónov elektrónvoltov dosiahnutých v najväčšom urýchľovači častíc vyrobenom človekom, Veľkom hadrónovom urýchľovači blízko Ženevy. Ako však mohli častice surfovať v nárazových vlnách supernovy, aby dosiahli svoju ohromujúcu energiu, zostalo záhadou.


Zvyšky supernovy a laserové experimenty vykazujú rovnakú fyziku napriek tomu, že sú veľmi odlišné vo svojich vlastnostiach vrátane veľkosti, rýchlosti rázových vĺn, teploty a hustoty ich elektricky nabitých častíc alebo plazmy.


                                  Typický zvyšok supernovy              NIF laserové experimenty
Priemer                        300 biliónov  kilometrov                      2,5 centimetra
Rýchlosť rázových vĺn     3000 – 5 000 kilometrov za sekundu    1 000 – 2 000 km/s
Plazmatická teplota        11 000 ° Celzia                                  5 800 000 ° Celzia
Hustota plazmy              0,2 častíc na centimeter kubický          50 triliónov častíc na cm/3


Zdroj: F. Fiuza a kol. / Nature Physics 2020

Aby sme zistili ako častice pri explóziách dostávajú rýchlosť, musíme najskôr pochopiť, ako sa vytvárajú rázové vlny vo zvyšku supernovy. Musíme vedieť, aké silné magnetické polia tam vznikajú. Bez nich by sa totiž nárazová vlna nemohla sformovať.


Elektrické a magnetické polia sú navzájom úzko prepojené. Keď sa elektricky nabité častice pohybujú, vytvárajú malé elektrické prúdy, ktoré následne vytvárajú lokálne magnetické polia. A samotné magnetické polia potom vysielajú prúdy nabitých častíc a zakrivujú ich dráhy. Je to preto, lebo aj magnetické polia vytvárajú polia elektrické.


Výsledkom je komplexný proces spätnej väzby vyrážania častíc a polí, ktorý nakoniec spôsobí rázovú vlnu. Je to samomodulačná, samokontrolujúca a samoreprodukujúca sa štruktúra.


Celá táto zložitosť sa môže vyvinúť až po vytvorení magnetického poľa, lenže  náhodné pohyby jednotlivých častíc vytvárajú iba dočasné lokálne magnetické polia. Na vytvorenie dlhodobého a komplexného poľa musí určitý proces vo zvyšku supernovy zosilnieť. Dlho bola za tento proces považovaná tzv. Weibelova nestabilita, ktorá uzrelo svetlo sveta prvýkrát v roku 1959.


V supernove sa plazma prúdiaca pri explózii von stretáva s medzihviezdnou plazmou. Podľa teórie, ktorá stojí za Weibelovou nestabilitou, sa dva zhluky plazmy rozpadajú na vlákna, keď prúdia jedna cez druhú, ako keď si obe ruky preložíte prstami. Tieto vlákna fungujú ako drôty prenášajúce prúd. A tam, kde je prúd, tam je aj magnetické pole. Magnetické polia vlákien zosilňujú prúdy a ďalej zintenzívňujú magnetické polia. Vedci tušili, že elektromagnetické polia by potom mohli byť dosť silné na to, aby presmerovali a spomalili častice, čo by ich viedlo k hromadeniu v rázovej vlne.


V roku 2015 vedci v experimente za pomoci programu OMEGA spozorovali magnetické polia, no nedetegovali žiadne vlákna. Nakoniec im po 5 rokoch nový experiment priniesol prvé priame merania prúdov, ktoré sa tvoria v dôsledku Weibelovej nestability, čo potvrdzuje naše predstavy o tom, ako by sa mohli vytvárať silné magnetické polia vo zvyškoch supernovy.


V tomto novom experimente, taktiež za pomoci programu OMEGA, vedci vystrelili po siedmich laseroch každý z dvoch cieľov proti sebe. To viedlo k tomu, že dva prúdy plazmy smerovali k sebe rýchlosťou až 1 500 kilometrov za sekundu, čo je dostatočná rýchlosť na to, aby takýto prúd obehol Zem dvakrát za menej ako minútu. Keď sa obidva prúdy stretli, rozdelili sa na vlákna, ako sa dalo očakávať, a produkovali magnetické polia s hodnotou 30 T (tesla) Pre predstavu je sila magnetického poľa Slnka približne od 0,0001 T až po 0,1 T.


...pokračovanie v článku Pomocou laserov k pochopeniu supernov - časť 3/3...


–––––––––––––––––––––––––––––
* National Ignition Facility (NIF) je veľké výskumné laserové zariadenie na báze laserovej fúzie inerciálneho zadržiavania (ICF), ktoré sa nachádza v národnom laboratóriu Lawrenca Livermora v Livermore v Kalifornii. NIF používa lasery na ohrev a stlačenie malého množstva vodíkového paliva s cieľom vyvolať reakcie jadrovej fúzie. Poslaním NIF je dosiahnuť fúzne vznietenie s vysokými energiami, podporujúc údržbu a vývoj nových jadrových zbraní štúdiom správania sa hmoty za podmienok aké panujú v jadrových zbraniach. NIF je doposiaľ najväčšie a najenergickejšie laserové zariadenie na svete.



*Laboratórium pre laserovú energetiku (LLE) je vedecko-výskumné pracovisko, ktoré je súčasťou južného kampusu University of Rochester v New Yorku v Brightone. Laboratórium bolo založené v roku 1970 a jeho činnosť bola odvtedy financovaná spoločne; hlavne ministerstvom energetiky USA, univerzitou v Rochesteri a vládou štátu New York. Laserové laboratórium bolo poverené slúžiť ako centrum pre výskum fyziky vysokých energií, konkrétne tých, ktoré zahŕňajú interakciu extrémne intenzívneho laserového žiarenia s hmotou. V objekte sa vykonáva veľa druhov vedeckých experimentov so silným dôrazom na zotrvačné obmedzenie, priamy pohon, fúziu indukovanú laserom, základnú fyziku plazmy a astrofyziku pomocou programu OMEGA. V júni 1995 sa OMEGA stala ultrafialovým laserom s najvyššou energiou na svete