Vor ungefähr 14 Milliarden Jahren brach die gesamte Materie im Universum spontan aus einem einzigen, unendlich kleinen, unendlich dichten Fleck hervor. Man kann mit Sicherheit sagen, dass dieses Ereignis, der Urknall, die größte Explosion in der Geschichte des Universums war. Jetzt untersuchen Wissenschaftler einige der kleinsten Explosionen im Universum - winzige chemische Explosionen in einem 5 cm breiten Rohr -, um zu erklären, wie diese ursprüngliche Explosion geschehen sein könnte.
Laut den Autoren der neuen Studie, die am Donnerstag (31. Oktober) in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, folgt jede Explosion im Kosmos - ob es sich um eine Supernova handelt oder um den letzten Tropfen Benzin, der im Motor Ihres Autos verbrennt - einem ähnlichen Satz Regeln.
Diese Regeln sind jedoch besonders schwer für unbeschränkte Explosionen festzulegen (solche, die im Freien auftreten, ohne dass Wände oder Barrieren sie einschließen), da sich diese Explosionen scheinbar ohne Provokation von einem Flammenklumpen in einen chaotischen Feuerball verwandeln können . Nachdem sie eine Reihe kontrollierter chemischer Explosionen in ihrem Labor untersucht hatten, sagten die Autoren der Studie, sie hätten einen "einheitlichen Mechanismus" unbeschränkter Explosionen herausgefunden, der die kleinsten und größten Explosionen im Universum miteinander verbindet.
Der Schlüssel, so das Team, sind Turbulenzen. Wenn genügend Turbulenzen eine Flamme auslösen, kann sich ein großer Druck aufbauen, bis die Flamme eine Stoßwelle auslöst, die eine Explosion auslöst. Diese Entdeckung könnte ein entscheidendes Instrument sein, um genau zu verstehen, wie Supernovae auftreten, und Wissenschaftlern sogar einen Hinweis darauf geben, wie sich der Urknall spontan von einem Materieknoten in das Universum entwickelt hat, wie wir es kennen, sagten die Forscher.
"Wir haben die kritischen Kriterien definiert, nach denen wir eine Flamme antreiben können, um ihre eigenen Turbulenzen zu erzeugen, spontan zu beschleunigen" und dann zu explodieren, sagte der Co-Autor der Studie, Kareem Ahmed, ein Assistenzprofessor an der Universität von Zentralflorida, in einer Erklärung. "Als wir anfingen, tiefer zu graben, stellten wir fest, dass dies mit etwas zu tun hat, das so tiefgreifend ist wie der Ursprung des Universums."
Explosionen können Energie auf zwei Arten freisetzen: durch Deflagration, wenn eine Flamme Druckwellen freisetzt, die sich langsamer als die Schallgeschwindigkeit bewegen (denken Sie an eine flackernde Kerze, die Wärme abgibt), oder durch Detonation, wenn sich Wellen mit Überschallgeschwindigkeit nach außen bewegen (denken Sie an einen TNT-Stab) explodieren). In vielen Fällen kann eine Deflagration zur Detonation führen, und dieser Übergang (bekannt als Übergang von Deflagration zu Detonation oder DDT) ist der Schlüssel zur Erklärung, wie Supernovas in Aktion treten, schrieben die Autoren der Studie.
Simulationen in früheren Studien haben gezeigt, dass sich Flammen während des Deflagrationsprozesses spontan beschleunigen können, wenn sie vielen Turbulenzen ausgesetzt sind. Diese Beschleunigung erzeugt starke Stoßwellen, die die Flamme zunehmend instabil machen, was das Ereignis letztendlich in eine heftige Detonation verwandeln kann.
Dieser Prozess könnte erklären, wie weiße Zwerge (die kompakten Leichen einst mächtiger Sterne) Millionen von Jahren im Weltraum schwelen können, bevor sie spontan in Supernova-Explosionen ausbrechen. Die DDT-Erklärung der Supernova-Explosion wurde jedoch bisher nur in Simulationen validiert und nie experimentell getestet. (Supernovas sind auf der Erde notorisch schwer zu erschaffen, ohne dass erhebliche medizinische Kosten und Wartungskosten anfallen.) In ihrer neuen Studie testeten die Forscher den Prozess anhand einer Reihe winziger chemischer Explosionen, die sich möglicherweise genauso entwickeln wie eine entfernte Supernova.
Das Team zündete ihre Explosionen in einem speziellen Gerät an, das als turbulentes Stoßrohr bezeichnet wird, einem hohlen, 1,5 Meter langen und 4,5 cm breiten Rohr, das an einem Ende mit einem Funkenzünder verschlossen ist. Das andere Ende des Rohrs wurde offen gelassen (was eine uneingeschränkte Explosion ermöglichte), und die gesamte Vorrichtung wurde mit Kameras und Drucksensoren ausgekleidet.
Das Team füllte das Rohr mit verschiedenen Konzentrationen von Wasserstoffgas und entzündete dann eine Flamme. Als es sich ausdehnte und zum offenen Ende der Röhre trieb, passierte die Flamme eine Reihe winziger Gitter, die das Feuer zunehmend turbulenter machten. Der Druck stieg vor der turbulenten Flamme an, erzeugte schließlich Überschallschockwellen und löste eine Detonation aus, die die Länge des Rohrs mit der bis zu fünffachen Schallgeschwindigkeit hinunter schoss. (Bei diesen kontrollierten Explosionen wurden keine Wissenschaftler verletzt.)
Mit den Ergebnissen der chemischen Flammenexperimente erstellten die Forscher ein neues Modell, um zu simulieren, wie Supernova-Explosionen unter ähnlichen Bedingungen detonieren könnten. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass das brennende Innere eines weißen Zwergs angesichts der richtigen Dichte und Art der Materie in einem Stern tatsächlich genug turbulente Wellen erzeugen kann, um eine spontane Explosion auszulösen, genau wie im Labor.
Diese Ergebnisse werden, wenn sie durch weitere Forschungen bestätigt werden, mehr als nur unser wissenschaftliches Wissen über Sternexplosionen erweitern. Sie könnten auch unser Verständnis der (erheblich kleineren) Explosionen verbessern, die unsere Autos, Flugzeuge und Raumschiffe hier auf der Erde antreiben, sagten die Forscher. Halten Sie Ihre Ohren offen für die größeren Pony, die noch kommen werden.
