Физики уподобили вспышки сверхновых горению газа
Ученые построили теорию перехода от горения к детонации в процессе взрыва, а также провели подтверждающие идею эксперименты. Ключевую роль в новой концепции играет турбулентность, которая участвует в инициации горения в сверхзвуковой ударной волне. Результаты применимы для широкого класса процессов, причем как на Земле, так и в космосе, и могут прояснить даже детали вспышек сверхновых, пишут авторы в журнале Science.
С точки зрения физики процессы, которые называют взрывами, могут значительно отличаться в деталях. Одно из ключевых отличий связано со скоростью распространения фронта реакции по системе. Если эта граница фазового перехода перемещается медленнее скорости звука в среде, то происходит горение в режиме дефлаграции. Этот механизм ответственен, например, за быстрое сгорание смеси паров бензина с воздухом или фейерверков.
Принципиально другим режимом является детонация, при которой фронт превращений движется со сверхзвуковой скоростью. В отличие от дефлаграции, при которой передача энергии осуществляется преимущественно за счет процессов переноса, то есть конвекции, диффузии и адвекции, детонация поддерживается за счет энерговыделения вследствие сжатия вещества самой взрывной волной, так как ее прохождение создает подходящие условия и инициирует реакцию.
Вспышки сверхновых типа Ia — это самый изучаемый астрономический взрыв. Большинство астрофизиков считает, что они возникают при аккреции вещества на белый карлик или при слиянии двух белых карликов. В любом сценарии масса объекта должна превысить предел Чандрасекара, что запускает быстрое термоядерное горение углерода и кислорода в ядре звездного остатка. Тем не менее, детали этого процесса по-прежнему не ясны.
Трудности численного моделирования таких явлений связаны с большим диапазоном параметров, таких как расстояния и температуры, а также с отсутствием жестких границ, обычно облегчающих воссоздание процессов на компьютере. В абсолютном большинстве моделей, описывающих сверхновые, предполагается возникновение сверхзвуковой детонационной волны. Однако формирование самого этого возмущения не удается воспроизвести из первых принципов, поэтому детонация постулируется, а место и время ее возникновения фактически оказываются свободными параметрами.
Американские физики под руководством Алексея Полудненко (Alexei Poludnenko) из Техасского университета A&M предложили новую теорию, описывающую переход от дефлаграции к детонации. Проведенный авторами анализ показывает, что вспышки сверхновых похожи на хорошо известные на Земле взрывы, но вместо химической энергии связей в молекулах процесс поддерживает термоядерная энергия слияния ядер.
В результате исследователи сформулировали аналитическую теорию вызванной турбулентностью детонации, которая справедлива как для недр белых карликов, так и для земных взрывоопасных систем. На ее основе ученые создали компьютерную модель, которая численно решала получившиеся уравнения.
Затем физики провели лабораторные эксперименты, данные которых согласовывались с теорией. В опытах они наблюдали реакцию в газовой смеси водорода с воздухом в открытой с одной стороны трубе длиной 1,5 метра, а также фиксировали давление и скорость распространения фронта. В результате удалось показать, что изначальное горение вызывало турбулентность, которая, в свою очередь, ускоряла течение реакции. Когда скорость волны начинала превышать скорость Чепмена — Жуге, которая определяется как скорость звука в области продуктов реакции, умноженная на контраст плотности до и после волнового фронта, то горение становилось нестабильным и переходило в детонацию.
Масштабируя полученные результаты на параметры белых карликов, авторы приходят к выводу, что при обычных для недр звездных остатков плотности вещества порядка 107–108 грамм на кубический сантиметр самопроизвольный переход от дефлаграции к детонации практически неизбежен.
Ранее астрономы нашли чрезвычайно массивного белого карлика, который должен был взорваться в виде сверхновой, обнаружили доедающего планету белого карлика и впервые увидели сжатие молодого белого карлика.
Тимур Кешелава
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.