Около 14 миллиардов лет назад вся материя во вселенной спонтанно вспыхнула из одного бесконечно маленького, бесконечно плотного клочка. Можно с уверенностью сказать, что это событие, Большой взрыв, было крупнейшим взрывом в истории Вселенной. Теперь ученые изучают некоторые из самых маленьких взрывов во Вселенной - крошечные химические взрывы в трубе шириной 2 дюйма (5 сантиметров) - чтобы попытаться объяснить, как мог произойти этот изначальный взрыв.
По словам авторов нового исследования, опубликованного в четверг (31 октября) в журнале Science, каждый взрыв в космосе - будь то вспышка сверхновой звезды или последняя капля сжигаемого бензина в двигателе вашего автомобиля - следует за подобным набором правила.
Тем не менее, эти правила особенно трудно привязать к неограниченным взрывам (те, которые происходят под открытым небом, без каких-либо стен или барьеров, в которые они могут попасть), так как эти взрывы могут превратиться из пучка пламени в хаотический огненный шар без видимой провокации , Теперь, после изучения серии контролируемых химических взрывов в их лаборатории, авторы исследования сказали, что они выяснили «единый механизм» неограниченных взрывов, который связывает самые маленькие и самые большие взрывы во вселенной.
Команда нашла, что ключ - турбулентность; при достаточной турбулентности, разжигающей пламя, может накапливаться большое количество давления, пока пламя не выпустит ударную волну, которая вызовет взрыв. Это открытие может стать важным инструментом для точного понимания того, как происходят сверхновые, и может даже дать ученым подсказку о том, как Большой Взрыв спонтанно эволюционировал из куска материи во вселенную, какой мы ее знаем, считают исследователи.
«Мы определили критические критерии, по которым мы можем управлять пламенем, чтобы самостоятельно генерировать свою собственную турбулентность, самопроизвольно ускоряться», а затем взрываться, - говорится в заявлении соавтора исследования Карима Ахмеда, доцента Университета Центральной Флориды. «Когда мы начали копать глубже, мы поняли, что это связано с чем-то таким глубоким, как происхождение вселенной».
Взрывы могут выделять энергию двумя способами: посредством дефлаграции, когда пламя выпускает волны давления, которые движутся медленнее, чем скорость звука (например, мерцающая свеча, выделяющая тепло), или детонацию, когда волны движутся наружу со сверхзвуковыми скоростями (например, трость тротила). взрываются). Во многих случаях дефлаграция может привести к детонации, и этот переход (известный как переход дефлаграция-детонация, или ДДТ) является ключом к объяснению того, как сверхновые взрываются в действии, пишут авторы исследования.
Моделирование в предыдущих исследованиях показало, что пламя в процессе дефлаграции может самопроизвольно ускоряться, если оно подвергается сильной турбулентности. Это ускорение создает сильные ударные волны, которые делают пламя все более нестабильным, что может в конечном итоге превратить событие в сильную детонацию.
Этот процесс мог бы объяснить, как белые карлики (компактные трупы некогда могущественных звезд) могли тлеть в космосе в течение миллионов лет, прежде чем самопроизвольно вспыхнуть при взрывах сверхновых. Тем не менее, объяснение ДДТ взрыва сверхновой только когда-либо было подтверждено в моделировании и никогда не проверялось экспериментально. (Сверхновые, как известно, трудно создать на Земле без значительных затрат на медицинское обслуживание и обслуживание.) Таким образом, в своем новом исследовании исследователи проверили процесс с помощью серии крошечных химических взрывов, которые могут развиваться так же, как и отдаленная сверхновая.
Команда воспламенила их взрывы в специальном устройстве, называемом турбулентной ударной трубкой, полой трубой длиной 5 футов (1,5 метра) и 1,8 дюйма шириной (4,5 см), закрытой с одного конца искровым зажигателем. Другой конец трубки был оставлен открытым (с учетом неограниченного взрыва), и весь аппарат был обшит камерами и датчиками давления.
Команда наполнила трубку различными концентрациями газообразного водорода, а затем зажгла пламя. По мере того как он расширялся и двигался к открытому концу трубки, пламя проходило через ряд крошечных решеток, которые делали огонь все более турбулентным. Давление повышалось перед турбулентным пламенем, в конечном итоге создавая сверхзвуковые ударные волны и вызывая детонацию, которая взлетела по всей длине трубки со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука. (Никто из ученых не пострадал в результате этих контролируемых взрывов.)
С результатами экспериментов с химическим пламенем, исследователи создали новую модель для моделирования, как взрывы сверхновых могут взорваться в аналогичных условиях. Ученые выяснили, что при правильной плотности и типе вещества внутри звезды горящее внутреннее пространство белого карлика может действительно создать достаточно турбулентных волн, чтобы вызвать самопроизвольный взрыв, подобно тем, которые видели в лаборатории.
Эти результаты, если они будут подтверждены дальнейшими исследованиями, сделают не только расширение наших научных знаний о звездных взрывах; исследователи утверждают, что они также могут улучшить наше понимание (значительно меньших) взрывов, которые приводят в движение наши автомобили, самолеты и космические корабли на Земле. Держите свои уши открытыми для больших ударов еще впереди.
