För ungefär 14 miljarder år sedan utbröt allt ämnet i universum spontant av en enda, oändligt liten, oändligt tät fläck. Det är säkert att säga att denna händelse, Big Bang, var den största explosionen i universums historia. Nu tittar forskare på några av de minsta explosionerna i universum - små kemiska sprängningar i ett 2-tumsbrett rör (5 centimeter) - för att försöka förklara hur den primordiala sprängningen kan ha hänt.
Enligt författarna till den nya studien, publicerad torsdag (31 oktober) i tidskriften Science, följer varje explosion i kosmos - oavsett om det är en stjärna som går supernova eller den sista droppen bensin som förbränns i din bils motor - en liknande uppsättning regler.
Dessa regler är emellertid särskilt svåra att fixera för okontrollerade explosioner (de som inträffar utomhus, utan att några väggar eller barriärer boxas in dem), eftersom dessa sprängningar kan förvandlas från en flamugga till en kaotisk eldboll utan till synes ingen provokation . Nu, efter att ha studerat en serie kontrollerade kemiska explosioner i sitt labb, sa studieförfattarna att de har räknat ut en "enhetlig mekanism" av okonfinerade explosioner som kopplar samman de minsta och största sprängningarna i universum.
Nyckeln, teamet hittade, är turbulens; med tillräcklig turbulens som rör sig om en låga, kan stora mängder tryck byggas upp tills flamman släpper ut en chockvåg som gnister en explosion. Denna upptäckt kan vara ett kritiskt verktyg för att förstå exakt hur supernovor inträffar och kan till och med ge forskare en aning om hur Big Bang spontant utvecklats från en nubb av materia till universum som vi känner till det, sade forskarna.
"Vi definierade de kritiska kriterierna där vi kan driva en låga för att själv generera sin egen turbulens, spontant accelerera" och sedan explodera, sa medförfattare Kareem Ahmed, biträdande professor vid University of Central Florida, i ett uttalande. "När vi började gräva djupare insåg vi att detta är relaterat till något lika djup som universums ursprung."
Explosioner kan frigöra energi på två sätt: genom deflagrering, när en låga släpper tryckvågor som rör sig långsammare än hastigheten på ljudet (tror ett flimrande ljus som släpper värme), eller detonation, när vågorna rör sig utåt med supersoniska hastigheter (tänk en pinne av TNT exploderande). I många fall kan deflagrering leda till detonering, och den övergången (känd som deflagration-till-detonation-övergången, eller DDT) är nyckeln till att förklara hur supernovor spränger till handling, skrev studieförfattarna.
Simuleringar i tidigare studier har visat att lågor i processen med deflagrering spontant kan accelerera om de utsätts för mycket turbulens. Denna acceleration producerar starka chockvågor som gör lågan allt mer instabil, vilket i slutändan kan förvandla händelsen till en våldsam detonation.
Denna process skulle kunna förklara hur vita dvärgar (de kompaktkropparna av en gång-mäktiga stjärnor) kan smälta i rymden i miljoner år innan de spontant spricker ut i supernovaexplosioner. DDT-förklaringen om supernovaexplosion har emellertid bara validerats i simuleringar och testats aldrig experimentellt. (Supernovor är notoriskt svåra att skapa på jorden utan att medföra betydande medicinska och underhållskostnader.) I sin nya studie testade forskarna processen genom en serie små kemiska explosioner, som kan utvecklas på samma sätt som en avlägsen supernova skulle.
Teamet antände sina explosioner i en speciell anordning som kallas ett turbulent chockrör, ett ihåligt, 5 fot långt (1,5 meter), 1,8 tum bredt (4,5 cm) rör som är täckt med en gnisttändare i ena änden. Den andra änden av röret lämnades öppen (vilket möjliggjorde en okontrollerad explosion) och hela apparaten fodrades med kameror och trycksensorer.
Teamet fyllde röret med olika koncentrationer av vätgas och gav sedan en eld. När den expanderade och drev mot rörets öppna ände passerade flammen genom en serie små rutor som gjorde elden allt mer turbulent. Tryck monterat framför den turbulenta lågan, skapar äntligen supersoniska chockvågor och utlöser en detonation som rakade ner rörets längd med upp till fem gånger ljudets hastighet. (Inga forskare skadades av dessa kontrollerade explosioner.)
Med resultaten från de kemiska flammaxperimenten skapade forskarna en ny modell för att simulera hur supernovaexplosioner skulle kunna detonera under liknande förhållanden. Forskarna fann att med tanke på rätt täthet och typ av materia i en stjärna kan en vit dvärgs brinnande inre verkligen skapa tillräckligt turbulenta vågor för att ge en spontan explosion, precis som de som ses i labbet.
Dessa resultat, om de verifieras av ytterligare forskning, kommer att göra mer än bara utöka vår vetenskapliga kunskap om stjärnexplosioner; de kan också förbättra vår förståelse för (betydligt mindre) explosioner som driver våra bilar, flygplan och rymdskepp här på jorden, sade forskarna. Håll öronen öppna för de större luggen som ännu kommer.
