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Explotando supernovas en el laboratorio

Observaciones del remanente de una explsión de la supernova (SN)  Cassiopea A muestran campos magnéticos hasta 100 veces mas fuertes que los observados en el medio interestelar a su alrededor. El origen de estos fuertes campos magnéticos tanto en el interiór del remanente de Cassiopea A, como en el frente de choque de la onda expansiva, pueden ser generados al estirar, girar y doblar los campos magéticos por medio de movimientos turbulentos, en un efecto conocido como dínamo magnético. En este trabajo, los autores muestran a través de una combinación de experimentos y simulaciones, cómo la interacción entre el frente de choque de una SN con un medio inhomogéneo puede amplificar el campo magnético tanto en el interior, como en el frente de expansión de la SN.

El Experimento

El experimento consiste en una cámara llena de Argón donde tres rayos laser concentran su objectivo en la punta de una vara de carbono, de donde una onda de choque es generada en este punto y se expande radialmente. A una separación de 3 cm se encuentra un medidor de campo magnético por inducción electromagnética. Se realizaron dos montajes experimentales: El primero estudia la expansión de la onda de choque sin perturbación alguna, mientras que el segundo incluye una grilla plastica a una distancia de 1 cm de la punta de la vara de carbono, para estudiar la amplificación del campo magnético en una onda de choque perturbada. La Figura 1 muestra el montaje experimental. A la izquierda se muestra el montaje sin perturbación, donde se puede observar la onda de choque expandiendose radialmente a partir de la punta de la vara de carbono. A la derecha, se encuentra el montaje experimental junto con la grilla plástica, con una separación de 1.1 mm2 utilizada para perturbar la expansión de la onda de choque. La técnica utilizada para observar los movimientos de este plasma, es conocida como fotografía Schlieren, la cual es sensible al gradiente de la densidad. Comparando los montajes experimentales con y sin grilla plástica, podemos observar como la onda de choque perturbada genera un flujo mas turbulento en comparación al montaje sin perturbación.

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Figura 1: Montaje experimental para el estudio de la amplificación del campo magnético en una onda de choque. (Arriba) ilustración del montaje experimental con y sin grilla plastica. (Abajo) Fotograías de Schlieren de la expansión de la onda de choque con y sin perturbación de la grilla. (Izquierda) montajes sin grilla plastica (derecha) montaje con grilla plastica.

Las Simulaciones

Acompañando al montaje experimental, los autores de este articulo corrieron simulaciones numéricas de la expansión de esta onda de choque en un plasma, con y sin perturbación de la grilla, para comparar sus resultados experimentales. Las simulaciones numericas fueron llevadas a cabo utilizando el código numérico FLASH, el cual se encarga de resolver las ecuaciones de la magnetohidrodinámica del plasma, capturando así la expansión de la onda de choque y la amplificación del campo magnético.

La Figura 2 muestra las mediciones de la intensidad del campo magnético medido en las simulaciones, junto a las mediciones experimentales. En las simulaciones numéricas es posible apreciar como el plasma genera grandes fluctuaciones en la intensidad de campo magnético en presencia de la perturbación, como lo es la grilla plástica, no solo en el frente de onda, sino también en el gas caliente remanente de la explosión. La Figura 2 también muestra las mediciones de la intensidad de campo magnético medidas a una distancia de 3 cm del centro de expansión de la onda de choque, donde se aprecia que la amplificación del campo magnético no solo es mayor en presencia de una perturbación, sino también que llega antes, dado que el frente de onda es acelerado debido al efecto Bernoulli al pasar por la grilla.

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Figura 2: (Izquierda) Simulaciones de la expansión de la onda de choque (arriba) con y (abajo) sin grilla plástica. (Derecha) mediciones experimentales de las componentes del campo magnético paralela y perpendicular con respecto a la dirección de expansión de la onda de choque, (arriba) con y (abajo) sin grilla plástica.

En Conclusión

Los autores de este artículo muestran que es necesario que el frente de una onda de choque interactúe con un medio inhomogeneo, como lo es la grilla para este experimento, para poder explicar la amplificación de los campos magnéticos observados en remanentes de Supernova como Cassiopea A. Esta interacción genera movimientos turbulentos los cuales son capaces de estirar, doblar y girar los campos magnéticos, induciendo una amplificación del campo magnético significativamente mayor que la generada solo por la compresión en el frente de onda de una onda de choque. Las simulaciones también muestran que incluso después que la onda de choque ha pasado a través de la grilla, hay una cascada de movimientos turbulentos en el interior del gas remanente de la expansión. El campo magnético observado en el gas remanente es significativamente mayor que el observado en el caso sin perturbación, de acuerdo con las mediciones de campo magnético observadas en el gas remanente en el interior de Cassiopea A.

Nota del Autor:

El comportamiento de los fluidos esta determinado por una serie de números adimensionales que caracterizan el sistema, como por ejemplo el número Mach, el cual compara la velocidad relativa del fluido, con la velocidad del sonido. Otras cantidades adimensionales importantes son el núnero de Reynolds, quien determina si un fluido es laminar o turbulento, o el número de Reynolds magnético quien determina si el campo magnético va a seguir los movimientos turbulentos del gas o se va a difundir rápidamente.

Jugando con una combinación entre la escala del sistema (para este experimento, escalas de cm) con la velocidad alcanzada por la onda de choque inducida por el láser (v~2×106; cm s-1y para la viscosidad del Argon,  se alcanzó un número Mach de ~9 y números de Reynolds de 5×104. Estos son aproximadamente los numeros de Mach y de Reynolds encontrados en el medio interestelar, por lo cual los autores de el trabajo aquí presentado pueden comparar los resultados de los experimentos de laboratorio con un proceso tan energético como lo es la explosión de una Supernova.

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