科学家利用“超新星机”在实验室“重现”宇宙爆炸的场景

超新星是宇宙中能量最高的事件之一,由此产生的星云是观星者的最爱。为了更好地了解它们背后的物理学原理,佐治亚理工学院的研究人员在实验室里制造了一台“超新星机”。恒星基本上是由气体组成的挥发性天体,通过一种微妙的平衡作用维持了数百万年。强烈的引力想把物质拉向中心,但核心的核聚变同时也在向外推。但最终,核心的核燃料不可避免地耗尽,引力赢得了这场战斗。

科学家利用“超新星机”在实验室“重现”宇宙爆炸的场景

然后恒星很快向内塌缩,产生的冲击波将物质以极快的速度向外飞出。这个事件就是超新星,旋转的气体和物质就是星云,而中心形成的致密物体就是中子星或黑洞。而现在,佐治亚理工学院的研究人员已经在实验室里重现了这一过程。他们的“超新星机”是为了研究产生一些太空中最令人惊叹的景象的湍流物理学。

这个装置的形状就像一块披萨,尖尖的一端贴着地面,高6英尺(1.8米),顶部宽约4英尺(1.2米)。中间的窗口显示出一个包含不同密度气体的房间–较重的气体沉在底部,而较轻的气体则漂浮在顶部。这模仿了恒星内部的不同气体层。

为了触发“超新星”,机器底部有一个小盒子,里面装着被称为研究部爆炸物(RDX)和季戊四醇四硝酸酯(PETN)的东西。这将产生一个微型包含的爆炸,通过披萨片和气体发出冲击波,使它们混合。这些气体被激光照亮,使高速摄像机可以观察到厘米级的情况。而漩涡、扭曲的结果很有超新星的感觉。重质气体的柱子被强行向上穿过轻质层,之后波后的压力下降又将两类气体向下拉伸,混合得更加彻底。

“我们看到的最有趣的事情之一与超新星的一个谜团有关–它们将被称为喷射物的高密度气体射出,这可能有助于创造新的恒星,”该研究的第一作者Ben Musci说。“我们在装置中看到了这种气体推进的一些情况,重气体被传播到轻气体中去了。”

科学家利用“超新星机”在实验室“重现”宇宙爆炸的场景

当然,这种机器只能捕捉到真实事物的一个缩影。研究小组非常小心地在结果中考虑了背景辐射、温度和地球引力。另外,机器的形状只能重现超新星的二维切片–当然,通常情况下,超新星的发生是一个膨胀的三维球。

不过,该团队表示,“超新星机”还是可以帮助天文学家计算星云中气体的速度,更准确地确定它们诞生的时间。研究人员表示,它甚至可以反向投入工作,帮助开发核聚变反应堆。

这项研究发表在《天体物理学杂志通讯》上。在下面的视频中可以看到“超新星机”的工作情况。

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