یکی از قوی‌ترین امکانات لیزری جهان برای خلق نسخه کوچکی از انفجارهای ابرنواخترها در آزمایشگاه استفاده شده است. هدف از این پژوهش، که توسط تیمی بین‌المللی از فیزیک‌پیشگان انجام شده است، کسب بینشی از درون یکی از پرانرژی‌ترین و غیرقابل‌پیش‌بینی‌ترین رخدادهای جهان است. هم‌چنین پژوهش‌گران امیدوارند آزمایش‌های آنان رسیدن به درک بهتری از نقش تلاطم‌های کیهانی در خلق میدان‌های مغناطیسی قوی را، که در باقی‌مانده‌های غیرطبیعی ابرنواخترها‏، مانند ذات‌الکرسی A دیده می‌شود، در پی داشته باشد.

جبهه موج ضربه‌ای: تصویری از «ابرنواختر» در آزمایشگاه

ابرنواخترها انفجارات عظیم بین‌ستاره‌ای هستند که زمانی به وجود می‌آیند که یا سوخت ستاره‌ای دوباره مشتعل گردد یا هسته آن تحت نیروهای گرانشی شدید فروپاشیده شود. این انفجار بیشتر مواد ستاره را از آن به بیرون پرتاب می‌کند که به نوبه خود موجی ضربه‌ای ارسال می‌کند که تا مسافت‌هایی طولانی در فضای بین ستاره‌ای ادامه می‌یابد. این موج ضربه‌ای بیشتر مواد ستاره‌ای بیرون‌رانده‌شده و غبارهای دیگر موجود در مسیر را به یکدیگر متصل نگه می‌دارد و چیزی را به وجود می‌آورد که به باقی‌مانده ابرنواختر (SNR-supernova remnant )‌ معروف است. با وجود آن‌که اکثر SNRها ظاهری منظم و پوسته‌مانند دارند، شکل‌های برخی از آنان ماند ذات‌الکرسی A غیرمنظم و تشریح‌نشده‌ است. SNR ذات‌الکرسی حدود 11000 سال نوری از زمین فاصله دارد و برای اولین بار نور حاصل از آن 300 سال پیش به سیاره ما رسید. تصاویر اپتیکی از این انفجار ظاهر «پیچیده» و غیرمنظم آن را نشان می‌دهد، در حالی که مشاهدات رادیویی و مبتنی بر پرتو ایکس وجود میدان‌های مغناطیسی را که 100 برابر قوی‌تر از میدان‌های واسطه‌های بین‌ستاره‌ای پیرامون آن است، اثبات می‌کند.

ضربه‌ای پیچیده

این از عجایب ذات‌الکرسی A است که توجه فیزیکدان حوزه پلاسما، Gianluca Gregori از دانشگاه آکسفورد و تیم او را که متشکل از پژوهشگرانی از سراسر جهان است، به خود جلب کرده است. Gregori به physicsworld.com گفت که ایده اولیه این مطالعه از گفتگو با اخترشناسان درباره مشکلاتی که بر سر راه درک شکل‌گیری میدان‌های مغناطیسی در جهان وجود دارد، گرفته شد. او می‌گوید: «در طول یک زنگ تفریح، شروع به دریافت آن کردیم که شاید ما باید سعی کنیم آزمایش‌هایی در آزمایش‌گاه خود انجام دهیم تا ببینیم آیا آن‌چه فکر می‌کنیم رخ داده، واقعاً رخ داده است».

با وجود آن که منشأ میدان‌های معناطیسی بزرگ در مدخل ذات‌الکرسی A هم‌چنان نامعلوم است، یک احتمال این است که موج ضربه‌ای توانسته است از ناحیه‌ای در فضا که با ابرهایی انبوه و چگال از گاز پر شده است، عبور کند. Gregori می‌گوید: «در ذات‌الکرسی A توضیح احتمالی که ما پیشنهاد می‌کنیم آن است که ظاهر غیرمنظم آن که توسط ضربه ابرنواختر به وجود آمده است، توسط ابرهای چگال که ستاره را احاطه کرده‌اند دچار اختلال و تکه تکه شدن شده است».

ممکن است تعجب‌آور به نظر برسد که یک آزمایش روی میز آزمایشگاه که داخل اتاق متوسطی جا میشود، بتواند برای مطالعه اشیا اخترفیزیکی استفاده شود که در فاصله چند سال نوری از ما قرار گرفته‌اند

Gianluca Gregori، دانشگاه آکسفورد

Gregori و هم‌کارانش برای آزمایش این ایده تصمیم گرفتند «انفجار» نسبتاً کوچک‌تری را بازآفرینی کنند تا روش آزمایشگاه-محوری را برای بررسی این تلاطم طراحی کنند. Gregori می گوید «ممکن است تعجب‌آور به نظر برسد که یک آزمایش روی میز آزمایشگاه که داخل اتاق متوسطی جا می شود، بتواند برای مطالعه اشیا اخترفیزیکی استفاده شود که در فاصله چند سال نوری از ما قرار گرفته‌اند». پژوهش‌گران برای بازآفرینی SNRهای خود از تجهیزات لیزری Vulcan در آزمایشگاه Rutherford Appleton استفاده کردند. Jena Meinecke از دانشجویان فارغ‌التحصیل دانشگاه آکسفورد که سرپرستی آزمایش را بر عهده داشت می‌گوید: «تیم ما پژوهش خود را با متمرکز کردن سه باریکه لیزری بر هدف کربنی-میله‌ای، که نازک‌تر از یک تار مو بود، در محفظه‌ای که از گاز با چگالی پایین پر شده بود، آغاز کرد». هنگامی که میله تا دمای چند میلیون درجه کلوین گرم شد، منفجر شد. این انفجار موج ضربه‌ای نامتقارنی را به وجود آورد که به سمت بیرون گاز آرگون گسترش یافت، که خیلی شبیه ابرنواختر واقعی در فضا بود.

جریان‌های متلاطم

در آزمایش‌ها، توده‌های گاز چگال یا ابرها که ستاره در حال انفجار را احاطه کرده بودند، با قرار دادن 1 شبکه پلاستیکی در 1 سانتی‌متری هدف شبیه‌سازی شد. این شبکه جبهه موج ضربه‌ای را متلاطم می‌کرد و به جریان متلاطم منتهی می‌شد. از جریان ضربه‌ای و متلاطم در 300 میلیاردم ثانیه پس از تابش لیزر، با استفاده از تکنیک تصویربرداری ویژه‌ای عکس گرفته می‌شد.

Gregori یادآور شد که تیمشان از این لحاظ خوش شانس بود که آزمایش‌شان که با دقت زیاد برنامه‌ریزی شده بود، به طور کامل در زمانی که تجهیزات Vulcan در اختیارشان بود، جواب داد. او با اشاره به آن‌که دسترسی به این لیزر تا حدی رقابتی است توضیح داد: «گاهی اوقات، با این‌که ماه‌ها در حالت آماده‌‌باش بوده‌اید، باز با مشکلاتی روبرو می‌شوید. اما این بار همه امکانات تشخیصی و اعضای تیم فوق‌العاده بودند».

پژوهش‌گران دریافتند هنگامی که موج ضربه‌ای به سمت شبکه حرکت می‌کند، ویژگی‌های تلاطم و نامنظمی شروع به پدیدار شدن می‌کنند. Gregori می‌گوید: «ما دریافتیم که با وجود شبکه، میدان مغناطیسی بزرگ‌تر از حالتی است که این شبکه نباشد» و توضیح داد «که نتیجه هم بر مشاهدات و هم بر مدل‌های عددی موج ضربه‌ای که از واسطی «انبوه» عبور می‌کند منطبق است». از آن‌جا که میدان مغناطیسی قوی‌تر دال بر تولید فوتون‌های رادیویی و پرتوی X موثرتر بود، نتایج بدست آمده توسط این تیم تردیدهایی را در خصوص ایده‌ای که در حال حاضر مورد قبول است، به وجود می‌آورد؛ یعنی انفجارهای ابرنواختر به داخل موادی که به صورت غیریکنواخت میان ستارگان توزیع یافته‌اند، گسترش می‌یابد.

Gregori اشاره داشت که این پژوهش دارای اثراتی نه فقط بر SNRها است، زیرا تقویت میدان مغناطیسی از طریق متلاطم‌سازی بر بسیاری از سامانه‌های اخترفیزیکی اعمال می‌شود. «ما می‌دانیم میدان‌های مغناطیسی وجود دارند، اما نمی‌دانیم چگونه در مکان اول قرار داده شده‌اند. سازوکاری استانداردی که معمولاَ به آن استناد می‌شود آن است که میدان‌های «بذرهای» کوچکی درست در لحظه‌ای پس از انفجار بزرگ تولید شده است و سپس آن میدان‌ها به روش متلاطم‌سازی تقویت شده‌اند».

نویسنده: Tushna Commissariat

منبع: Lasers ignite 'supernovae' in the lab

مرجع: Turbulent amplification of magnetic fields in laboratory laser-produced shock waves