Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã tái tạo một quá trình xảy ra trong không gian để hiểu sâu hơn về những gì xảy ra khi Trái đất gặp gió mặt trời.
Khi Trái đất quay quanh mặt trời, nó cày qua một dòng các hạt chuyển động nhanh có thể cản trở các vệ tinh và hệ thống định vị toàn cầu. Giờ đây, một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPE) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (PPE) và Đại học Princeton đã tái tạo một quá trình xảy ra trong không gian để hiểu sâu hơn về những gì xảy ra khi Trái đất gặp phải cơn gió mặt trời này.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng máy tính để mô hình chuyển động của một tia plasma, trạng thái tích điện của vật chất gồm các electron và hạt nhân nguyên tử tạo nên tất cả các ngôi sao trên bầu trời, bao gồm cả mặt trời của chúng ta. Nhiều sự kiện vũ trụ có thể tạo ra các tia plasma, từ các ngôi sao tương đối nhỏ đến các vụ nổ sao khổng lồ được gọi là siêu tân tinh. Khi các tia plasma chuyển động nhanh đi qua plasma chậm hơn tồn tại trong khoảng trống của không gian, nó sẽ tạo ra cái được gọi là sóng xung kích không va chạm.
Những cú sốc này cũng xảy ra khi Trái đất di chuyển qua gió mặt trời và có thể ảnh hưởng đến cách gió xoáy vào và xung quanh từ trường của Trái đất, lá chắn từ tính bảo vệ kéo dài vào không gian. Hiểu về sóng xung kích plasma có thể giúp các nhà khoa học dự báo thời tiết không gian phát triển khi gió mặt trời xoáy vào từ quyển và cho phép các nhà nghiên cứu bảo vệ các vệ tinh cho phép mọi người giao tiếp trên toàn cầu.
Các mô phỏng cho thấy một số dấu hiệu nhận biết khi một cú sốc đang hình thành, bao gồm các tính năng của cú sốc, ba giai đoạn hình thành cú sốc và hiện tượng có thể bị nhầm lẫn là một cú sốc. “Bằng cách có thể phân biệt một cú sốc với các hiện tượng khác, các nhà khoa học có thể cảm thấy tự tin rằng những gì họ đang thấy trong một thí nghiệm là những gì họ muốn nghiên cứu trong không gian”. Derek Schaeffer, một học giả nghiên cứu tại Khoa Vật lý thiên văn của Đại học Princeton và lãnh đạo nhóm nghiên cứu PPPL chia sẻ. Những phát hiện đã được báo cáo trong một bài báo được xuất bản trong Vật lý của Plasmas (Physics of Plasmas) tiếp theo nghiên cứu trước đây được báo cáo ở đây và đây.
Các cú sốc plasma xảy ra trong không gian, giống như những cú sốc do Trái đất tạo ra khi đi ngược chiều gió mặt trời, giống như sóng xung kích được tạo ra trong bầu khí quyển của Trái đất bằng máy bay phản lực siêu thanh. Trong cả hai lần xuất hiện, vật liệu chuyển động nhanh đều gặp phải vật liệu chậm hoặc đứng yên và phải nhanh chóng thay đổi tốc độ của nó, tạo ra một khu vực xoáy và phù và nhiễu loạn.
Nhưng trong không gian, sự tương tác giữa các hạt plasma nhanh và chậm xảy ra mà không có các hạt chạm vào nhau. Schaeffer nói: “Một cái gì đó khác phải được thúc đẩy sự hình thành sốc này, như các hạt plasma thu hút hoặc đẩy lùi nhau”. “Trong mọi trường hợp, cơ chế không được hiểu đầy đủ.”
Để tăng hiểu biết của họ, các nhà vật lý tiến hành thí nghiệm plasma trong phòng thí nghiệm để theo dõi các điều kiện chặt chẽ và đo lường chính xác. Ngược lại, các phép đo được thực hiện bởi tàu vũ trụ có thể dễ dàng lặp lại và chỉ lấy mẫu một vùng plasma nhỏ. Mô phỏng máy tính sau đó giúp các nhà vật lý giải thích dữ liệu phòng thí nghiệm của họ.
Ngày nay, hầu hết các cú sốc plasma trong phòng thí nghiệm được hình thành bằng cách sử dụng một cơ chế được gọi là piston plasma. Để tạo ra pít-tông, các nhà khoa học chiếu tia laser vào một mục tiêu nhỏ. Tia laser làm cho một lượng nhỏ bề mặt của mục tiêu nóng lên, trở thành plasma và di chuyển ra ngoài thông qua một plasma di chuyển chậm hơn xung quanh.
Schaeffer và các đồng nghiệp đã tạo ra mô phỏng của họ bằng cách mô hình hóa quá trình này. “Hãy nghĩ về một tảng đá ở giữa dòng chảy nhanh,” Schaeffer nói. “Nước sẽ chảy thẳng lên phía trước tảng đá, nhưng không hoàn toàn chạm tới nó. Vùng chuyển tiếp giữa chuyển động nhanh và chuyển động không [đứng] là cú sốc.”
Các kết quả mô phỏng sẽ giúp các nhà vật lý phân biệt sóng xung kích plasma vật lý với các điều kiện khác phát sinh trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Trong các thí nghiệm plasma laser, chúng ta có thể quan sát rất nhiều nhiệt và nén và nghĩ rằng chúng là dấu hiệu của một cú sốc. Nhưng chúng ta không biết đủ về các giai đoạn khởi đầu của một cú sốc chỉ biết từ lý thuyết. Đối với các loại thí nghiệm laser này, chúng ta phải tìm ra cách phân biệt sự khác biệt giữa một cú sốc và sự mở rộng của điều khiển bằng laser huyết tương.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu nhằm mục đích làm cho các mô phỏng thực tế hơn bằng cách thêm chi tiết và làm cho mật độ plasma và nhiệt độ không đồng đều. Họ cũng muốn chạy thử nghiệm để xác định xem các hiện tượng được dự đoán bởi các mô phỏng trên thực tế có thể xảy ra trong một bộ máy vật lý hay không. Schaeffer nói: “Chúng tôi muốn đưa những ý tưởng mà chúng tôi nói đến trong bài báo vào thử nghiệm”.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma DOE / Princeton . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :