MADRID, 9 Jun. (EUROPA PRESS) -
Científicos han ideado una nueva forma de estudiar el funcionamiento interno de las ondas de choque producto de supernovas, creando una versión reducida del choque en el laboratorio.
Descubrieron que los choques astrofísicos desarrollan turbulencias a escalas muy pequeñas, escalas que no se pueden ver por observaciones astronómicas, que ayudan a impulsar los electrones hacia la onda de choque antes de que aumenten a sus increíbles velocidades finales.
"Estos son sistemas fascinantes, pero debido a que están tan lejos, es difícil estudiarlos", dijo en un comunicado Frederico Fiuza, científico sénior del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de Estados Unidos, que dirigió el nuevo estudio. "No estamos tratando de hacer restos de supernova en el laboratorio, pero podemos aprender más sobre la física de los choques astrofísicos allí y validar los modelos".
Las ondas de choque astrofísicas alrededor de las supernovas no son diferentes de las ondas de choque y las explosiones sónicas que se forman frente a los chorros supersónicos. La diferencia es que cuando una estrella explota, forma lo que los físicos llaman un choque sin colisión en el gas circundante de iones y electrones libres, o plasma.
En lugar de toparse entre sí como lo harían las moléculas de aire, los electrones e iones individuales son forzados de esta manera y por intensos campos electromagnéticos dentro del plasma. En el proceso, según los investigadores, los choques remanentes de supernovas producen fuertes campos electromagnéticos que hacen rebotar partículas cargadas a través del choque varias veces y las aceleran a velocidades extremas.
Sin embargo, hay un problema. Las partículas ya tienen que moverse bastante rápido para poder cruzar el choque en primer lugar, y nadie está seguro de qué hace que las partículas se aceleren. La forma obvia de abordar ese problema, conocido como el problema de la inyección, sería estudiar las supernovas y ver qué están haciendo los plasmas que las rodean. Pero incluso con las supernovas más cercanas a miles de años luz de distancia, es imposible simplemente apuntar un telescopio hacia ellas y obtener suficientes detalles para comprender lo que está sucediendo.
Afortunadamente, Fiuza, su compañera posdoctoral Anna Grassi y sus colegas tuvieron otra idea: tratarían de imitar las condiciones de onda de choque de los restos de supernova en el laboratorio, algo que los modelos de computadora de Grassi indicaron que podría ser factible.
Más significativamente, el equipo necesitaría crear una onda de choque rápida y difusa que pudiera imitar los choques remanentes de supernova. También tendrían que demostrar que la densidad y la temperatura del plasma aumentaron de manera consistente con los modelos de esos choques, y, por supuesto, querían entender si la onda de choque dispararía electrones a velocidades muy altas.
Para lograr algo así, el equipo fue al National Ignition Facility en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Allí, los investigadores dispararon algunos de los láseres más potentes del mundo a un par de láminas de carbono, creando un par de flujos de plasma directamente entre sí. Cuando los flujos se encontraron, las observaciones ópticas y de rayos X revelaron todas las características que el equipo estaba buscando, lo que significa que habían producido en el laboratorio una onda de choque en condiciones similares a un choque remanente de supernova.
Lo que es más importante, descubrieron que cuando se formó el choque, de hecho, era capaz de acelerar los electrones a casi la velocidad de la luz. Observaron velocidades máximas de electrones que eran consistentes con la aceleración que esperaban en función de las propiedades de choque medidas. Sin embargo, los detalles microscópicos de cómo estos electrones alcanzaron estas altas velocidades no estaban claros.
Afortunadamente, los modelos podrían ayudar a revelar algunos de los puntos finos, habiéndose comparado primero con datos experimentales. "No podemos ver los detalles de cómo las partículas obtienen su energía incluso en los experimentos, y mucho menos en las observaciones astrofísicas, y aquí es donde realmente entran en juego las simulaciones", dijo Grassi.
De hecho, el modelo informático reveló lo que puede ser una solución al problema de la inyección de electrones. Los campos electromagnéticos turbulentos dentro de la onda de choque en sí parecen ser capaces de aumentar la velocidad de los electrones hasta el punto en que las partículas pueden escapar de la onda de choque y cruzar de nuevo para ganar aún más velocidad, dijo Fiuza. De hecho, el mecanismo que hace que las partículas vayan lo suficientemente rápido como para cruzar la onda de choque parece ser bastante similar a lo que sucede cuando la onda de choque hace que las partículas alcancen velocidades astronómicas, solo en una escala más pequeña.
Sin embargo, quedan preguntas, y en futuros experimentos los investigadores harán mediciones detalladas de los rayos X emitidos por los electrones en el momento en que se aceleran para investigar cómo varían las energías de los electrones con la distancia de la onda de choque. Eso, dijo Fiuza, limitará aún más sus simulaciones por computadora y les ayudará a desarrollar modelos aún mejores. Y quizás lo más significativo es que también analizarán protones, no solo electrones, disparados por la onda de choque, datos que el equipo espera revelarán más sobre el funcionamiento interno de estos aceleradores de partículas astrofísicas.
En términos más generales, los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a ir más allá de las limitaciones de las observaciones astronómicas u observaciones basadas en naves espaciales de los choques mucho más domesticados en nuestro sistema solar. "Este trabajo abre una nueva forma de estudiar la física de los choques remanentes de supernovas en el laboratorio", dijo Fiuza.