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新奇的实验,科学家用汽车发动机来研究超新星爆炸

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新奇的实验,科学家用汽车发动机来研究超新星爆炸
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新奇的实验,科学家用汽车发动机来研究超新星爆炸

根据发表在《科学》杂志上的一项新研究的作者的说法,宇宙中的每一次爆炸,无论是一颗恒星变成超新星,还是汽车引擎里燃烧的最后一滴汽油,都遵循着类似的规则。

然而,这些规则对于不受限制的爆炸(那些发生在露天的,没有任何墙壁或障碍的爆炸)尤其难以确定,因为这些爆炸可以在没有任何阻碍的情况下,从一个火块变成一个混乱的火球。在他们的实验室里研究了一系列受控的化学爆炸后,研究的作者们说他们已经找到了一种无约束爆炸的“统一机制”,这种机制将宇宙中最小和最大的爆炸联系起来。

研究小组发现,关键是湍流。随着足够的湍流搅动火焰,大量的压力会积聚起来,直到火焰释放出冲击波,引发爆炸。研究人员说,这一发现可能是了解超新星如何发生的关键工具,甚至可能给科学家提供线索,让他们了解大爆炸是如何从一个物质核自发演化成我们所知的宇宙的。

中佛罗里达大学助理教授卡里姆·艾哈迈德在一份声明中说:“我们定义了一个关键的标准,在这个标准中,我们可以让火焰自行产生湍流,自动加速,然后爆炸。当我们开始深入研究时,我们意识到这与宇宙起源这样深奥的东西有关。”

爆炸可以通过两种方式释放能量:一种是爆燃,即火焰释放出比声速慢的压力波,另一种是爆轰,即波以超音速向外传播。在许多情况下,爆燃可以导致爆轰,而这种转变(DDT)是解释超新星如何爆发的关键。

新奇的实验,科学家用汽车发动机来研究超新星爆炸

以往研究的模拟表明,在爆燃过程中,如果火焰暴露在大量湍流中,火焰会自发加速。这种加速产生强烈的冲击波,使火焰越来越不稳定,最终可能使事件变成猛烈的爆炸。

这个过程可以解释白矮星在超新星爆发前如何在太空中闷烧数百万年。然而,DDT对超新星爆炸的解释只是在模拟中得到验证,从未在实验中得到验证。因此,在他们的新研究中,研究人员通过一系列微小的化学爆炸来测试这一过程,这些化学爆炸可能会像遥远的超新星那样演化。

研究小组用一种叫做“湍流激波管”的特殊装置点燃了他们的爆炸。“湍流激波管”是一种空心的、5英尺长(1.5米)、1.8英寸宽(4.5厘米)的管子,管子的一端装有火花点火器。管子的另一端是敞开的(允许不受限制的爆炸),整个装置里排列着摄像机和压力传感器。

研究小组在试管中注入不同浓度的氢气,然后点燃火焰。随着火焰的膨胀和向管道开口的一端推进,它穿过了一系列的小栅格,使得火焰越来越狂暴。在湍流的火焰前施加的压力,最终产生了超音速冲击波,并引发了一场爆炸,以高达五倍于音速的速度沿管道向下飞驰。

根据化学火焰实验的结果,研究人员创建了一个新的模型来模拟超新星爆炸如何在类似条件下引爆。科学家们发现,如果恒星内部的物质密度和类型合适,白矮星燃烧的内部确实可以产生足够的湍流,引发自发爆炸,就像在实验室里看到的那样。

研究人员说,这些结果如果得到进一步研究的证实,不仅仅可以扩大我们对恒星爆炸的科学知识,还可以提高我们对地球上驱动我们的汽车、飞机和宇宙飞船的(相当小的)爆炸的理解。

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