Około 14 miliardów lat temu cała materia we wszechświecie spontanicznie wybuchła z jednej, nieskończenie małej, nieskończenie gęstej plamki. Można śmiało powiedzieć, że to wydarzenie, Wielki Wybuch, było największą eksplozją w historii wszechświata. Teraz naukowcy przyglądają się niektórym najmniejszym eksplozjom we wszechświecie - malutkim wybuchom chemicznym w rurce o szerokości 2 cali (5 centymetrów) - aby spróbować wyjaśnić, jak mogło dojść do tego pierwotnego wybuchu.
Według autorów nowego badania, opublikowanego w czwartek (31 października) w czasopiśmie Science, każda eksplozja w kosmosie - niezależnie od tego, czy jest to gwiazda supernowa, czy ostatnia kropla benzyny płonącej w silniku samochodu - następuje po podobnym zestawie zasady.
Jednak zasady te są szczególnie trudne do ustalenia w przypadku nieskończonych eksplozji (tych, które mają miejsce na otwartej przestrzeni, bez ścian i barier, które mogłyby je zapakować), ponieważ te wybuchy mogą przekształcić się z bryłki ognia w chaotyczną kulę ognia, pozornie bez prowokacji . Teraz, po przestudiowaniu serii kontrolowanych wybuchów chemicznych w ich laboratorium, autorzy badania stwierdzili, że opracowali „jednolity mechanizm” nieskończonych wybuchów, który łączy najmniejsze i największe wybuchy we wszechświecie.
Zespół odkrył, że kluczem są turbulencje; przy wystarczającej turbulencji powodującej płomień, może wytworzyć się duże ciśnienie, dopóki płomień nie uwolni fali uderzeniowej, która iskrzy wybuchem. Odkrycie to może być kluczowym narzędziem w zrozumieniu dokładnie, jak zachodzą supernowe, a nawet może dać naukowcom wskazówkę, w jaki sposób Wielki Wybuch spontanicznie ewoluował z cząstki materii do wszechświata, jaki znamy, jak twierdzą naukowcy.
„Zdefiniowaliśmy krytyczne kryteria, w których możemy kierować płomieniem, aby sam generować własne turbulencje, spontanicznie przyspieszać”, a następnie eksplodować, powiedział współautor badania Kareem Ahmed, adiunkt na University of Central Florida, w oświadczeniu. „Kiedy zaczęliśmy kopać głębiej, zdaliśmy sobie sprawę, że jest to związane z czymś tak głębokim, jak pochodzenie wszechświata”.
Wybuchy mogą uwalniać energię na dwa sposoby: poprzez deflagrację, gdy płomień uwalnia fale ciśnienia, które poruszają się wolniej niż prędkość dźwięku (pomyśl migocząca świeca uwalniająca ciepło), lub detonację, gdy fale poruszają się na zewnątrz z prędkością naddźwiękową (pomyśl o kiju TNT wybuchające). W wielu przypadkach deflagracja może prowadzić do detonacji, a to przejście (znane jako przejście deflagracji do detonacji lub DDT) jest kluczem do wyjaśnienia, jak wybuchają supernowe w działaniu, napisali autorzy badania.
Symulacje z poprzednich badań wykazały, że płomienie podczas deflagracji mogą spontanicznie przyspieszać, jeśli są narażone na duże turbulencje. Przyspieszenie to wytwarza silne fale uderzeniowe, które sprawiają, że płomień staje się coraz bardziej niestabilny, co może ostatecznie zmienić zdarzenie w gwałtowny wybuch.
Proces ten może wyjaśnić, w jaki sposób białe karły (zwarte zwłoki niegdyś potężnych gwiazd) mogą tlić się w kosmosie przez miliony lat, zanim spontanicznie wybuchną w wyniku wybuchów supernowych. Jednak wyjaśnienie DDT dotyczące wybuchu supernowej zostało kiedykolwiek zweryfikowane tylko w symulacjach i nigdy nie zostało przetestowane eksperymentalnie. (Supernowe są niezwykle trudne do stworzenia na Ziemi bez ponoszenia znacznych kosztów medycznych i związanych z utrzymaniem.) Tak więc, w swoich nowych badaniach, naukowcy przetestowali ten proces poprzez serię niewielkich wybuchów chemicznych, które mogą ewoluować w taki sam sposób, jak w przypadku odległej supernowej.
Zespół zapalił swoje eksplozje w specjalnym urządzeniu zwanym turbulentną rurką uderzeniową, wydrążoną rurką o długości 5 stóp (1,5 metra) i szerokości 1,8 cala (4,5 cm) zamkniętą na jednym końcu zapalnikiem iskrowym. Drugi koniec rurki pozostawiono otwarty (pozwalając na nieskończoną eksplozję), a cały aparat wyłożono kamerami i czujnikami ciśnienia.
Zespół napełnił rurkę gazem o różnych stężeniach, a następnie wzniecił płomień. Gdy rozszerzał się i napędzał w kierunku otwartego końca rurki, płomień przechodził przez szereg maleńkich kratek, które powodowały, że ogień stawał się coraz bardziej niespokojny. Ciśnienie narastało przed burzliwym płomieniem, tworząc w końcu naddźwiękowe fale uderzeniowe i wyzwalając detonację, która wystrzeliła wzdłuż rury z prędkością nawet pięciokrotnie większą niż prędkość dźwięku. (Żaden naukowiec nie został ranny w wyniku tych kontrolowanych wybuchów).
Na podstawie wyników eksperymentów z chemicznym płomieniem naukowcy stworzyli nowy model, aby zasymulować, w jaki sposób wybuchy supernowych mogą detonować w podobnych warunkach. Naukowcy odkryli, że przy odpowiedniej gęstości i rodzaju materii wewnątrz gwiazdy płonące wnętrze białego karła może rzeczywiście wytworzyć wystarczającą liczbę turbulentnych fal, aby wywołać spontaniczną eksplozję, podobnie jak w laboratorium.
Wyniki te, jeśli zostaną zweryfikowane przez dalsze badania, nie tylko poszerzą naszą wiedzę naukową na temat wybuchów gwiazd; naukowcy powiedzieli, że mogą także poprawić nasze rozumienie (znacznie mniejszych) wybuchów, które napędzają nasze samochody, samoloty i statki kosmiczne tutaj na Ziemi. Miej uszy otwarte na nadchodzące większe grzywki.
