p Situado na constelação de Touro, um espetáculo de gases cósmicos rodopiantes medindo meia dúzia de anos-luz em brilhos em tons de esmeralda e ruivo. A Nebulosa do Caranguejo nasceu de uma supernova, a explosão de uma estrela gigante, e agora, uma máquina de laboratório do tamanho de uma porta dupla replica como as imensas explosões pintam os redemoinhos astronômicos para a existência. p "Tem um metro e oitenta de altura e parece uma grande fatia de pizza com cerca de um metro de largura na parte superior, "disse Ben Musci sobre a máquina de supernova que ele construiu para um estudo no Instituto de Tecnologia da Geórgia.

p A máquina também é quase tão fina quanto uma porta e fica verticalmente com a ponta da "pizza" na parte inferior. Uma detonação concisa nessa ponta empurra uma onda de choque em direção ao topo, e no meio da máquina, a onda passa por duas camadas de gás, fazendo-os se misturar turbulentamente em redemoinhos como aqueles deixados por supernovas.

p A luz do laser ilumina os redemoinhos, e através de uma janela, uma câmera de alta velocidade com lentes de close-up captura a beleza junto com dados em uma escala centimétrica que podem ser extrapolados para escalas astronômicas usando matemática de física bem estabelecida. Fazer com que a máquina produzisse resultados úteis para estudar a natureza levou dois anos e meio de ajustes de engenharia.

p Combinando redemoinhos

p "De repente, passamos de uma câmara perfeitamente imóvel para uma pequena supernova. Muita engenharia foi feita para conter a explosão e, ao mesmo tempo, torná-la realista onde ela atinge a interface do gás na janela de visualização, "disse Devesh Ranjan, o principal investigador do estudo e professor da George W. Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech.

p "A parte difícil foi solucionar os artefatos que não faziam parte da física da supernova. Passei um ano me livrando de coisas como uma onda de choque extra ricocheteando na câmara ou vazamento de ar da sala, "disse Musci, o primeiro autor do estudo e um assistente de pesquisa de pós-graduação no laboratório de Ranjan. "Eu também tive que ter certeza de que a gravidade, radiação de fundo, e a temperatura não atrapalhou a física. "

p Os pesquisadores publicam seus resultados em The Astrophysical Journal em 17 de junho, 2020. A pesquisa foi financiada pelo programa de Ciência de Energia de Fusão do Departamento de Energia dos EUA. Musci planeja colaborar com o Laboratório Nacional Lawrence Livermore para comparar os padrões de gás da máquina com dados reais sobre remanescentes de supernova.

p Explosão especial da Supernova

p Nem todas as nebulosas são remanescentes de supernovas, mas muitos são. Eles e outros remanescentes de supernovas começam com uma estrela massiva. Estrelas são bolas de gases, que são organizados em camadas, e quando uma estrela explode em uma supernova, essas camadas permitem a formação de belos redemoinhos.

p "No lado de fora, os gases têm baixa densidade e no interior alta densidade, e bem no fundo da estrela, a densidade começa a forçar os gases juntos para fazer ferro no núcleo da estrela, "Ranjan disse.

p "Depois deste ponto, a estrela fica sem combustível nuclear, assim, a força externa causada pela fusão nuclear para de equilibrar a força gravitacional interna. A extrema gravitação causa o colapso da estrela, "Musci disse.

p No centro da estrela, há uma explosão pontual, que é a supernova. Ele envia uma onda de choque viajando a cerca de um décimo da velocidade da luz rasgando os gases, atolando suas camadas juntas.

p O gás mais pesado nas camadas internas perfura afloramentos turbulentos em um gás mais leve nas camadas externas. Então, por trás da onda de choque, queda de pressão, esticando os gases de volta para um tipo diferente de mistura turbulenta.

p "É um empurrão forte seguido de um puxão ou alongamento prolongado, "Musci disse.

p Explosivo imita supernova

p Os pesquisadores usaram pequenas quantidades de um detonador disponível comercialmente (contendo RDX, ou Departamento de Pesquisa eXplosive, e PETN, ou tetranitrato de pentaeritritol) para fazer a explosão em miniatura concisa que enviou uma onda limpa através da interface entre os gases mais pesados ​​e mais leves na máquina.

p Na natureza, a onda de choque sai esfericamente em todas as direções, e Musci conseguiu uma representação parcial de sua curvatura na onda de choque da máquina. Na natureza e na máquina, interfaces entre os gases estão cheias de pequenas, voltas e mais voltas desiguais chamadas de perturbações, e a onda de choque os atinge em ângulos tortos.

p "Isso é importante para aumentar a perturbação inicial que leva à turbulência, porque essa irregularidade coloca um torque na interface entre as camadas de gás, "Musci disse.

p Convoluções e arabescos resultam para fazer restos de supernova, que se expandem por milhares de anos para se tornarem formas mais suaves e suaves que mexem com nossos corações com seu esplendor. Para os físicos, essas torções iniciais são estruturas altamente reconhecíveis interessantes para estudo:picos turbulentos de gás pesado projetando-se em gás leve, "bolhas" de gás leve isoladas em áreas de gás pesado, e cachos típicos de fluxo turbulento inicial.

p "Uma das coisas mais interessantes que vimos está relacionada a um mistério sobre as supernovas:elas disparam um gás de alta densidade chamado de ejeção, o que pode ajudar a criar novas estrelas. Vimos parte dessa propulsão de gás no dispositivo onde o gás pesado foi propagado para o gás leve, "Musci disse.

p Remanescentes de supernovas se expandem perpetuamente a velocidades de centenas de quilômetros por segundo, e a nova máquina poderia ajudar a refinar os cálculos dessas velocidades e ajudar a caracterizar as formas mutáveis ​​dos remanescentes. A supernova da Nebulosa do Caranguejo foi registrada no ano de 1054 por astrônomos chineses, mas para muitos outros remanescentes, a máquina também pode ajudar a calcular o momento do nascimento.

p Fusão de confinamento inercial

p As percepções da máquina se aplicariam ao contrário para ajudar no desenvolvimento da energia de fusão nuclear. O processo denominado fusão de confinamento inercial aplica força extrema e calor de fora para dentro uniformemente em uma área minúscula onde dois isótopos de gás hidrogênio são colocados em camadas um sobre o outro, um mais denso que o outro.

p As camadas são forçadas juntas até que os núcleos dos átomos se fundam, liberando energia. Os pesquisadores de fusão estão se esforçando para eliminar a mistura turbulenta. O que há de belo na supernova torna a fusão nuclear menos eficiente.