Ongeveer 14 miljard jaar geleden barstte alle materie in het universum spontaan uit een enkele, oneindig kleine, oneindig dichte vlek. Het is veilig om te zeggen dat deze gebeurtenis, de oerknal, de grootste explosie in de geschiedenis van het universum was. Nu kijken wetenschappers naar enkele van de kleinste explosies in het universum - kleine chemische explosies in een buis van 2 inch breed (5 centimeter) - om te proberen uit te leggen hoe die primordiale explosie is gebeurd.
Volgens de auteurs van de nieuwe studie, die donderdag (31 oktober) in het tijdschrift Science is gepubliceerd, volgt elke explosie in de kosmos - of het nu gaat om een supernova-ster of de laatste druppel benzine die in de motor van je auto brandt - een vergelijkbare set van reglement.
Deze regels zijn echter bijzonder moeilijk vast te stellen voor onbeperkte explosies (die zich in de open lucht voordoen, zonder muren of barrières die ze in de weg staan), omdat deze ontploffingen kunnen veranderen van een klompje vlam in een chaotische vuurbal zonder schijnbaar geen provocatie . Nu, na het bestuderen van een reeks gecontroleerde chemische explosies in hun laboratorium, zeiden de auteurs van het onderzoek dat ze een "verenigd mechanisme" van onbeperkte explosies hebben bedacht dat de kleinste en grootste ontploffingen in het universum met elkaar verbindt.
De sleutel, ontdekte het team, is turbulentie; als er voldoende turbulentie rond een vlam brandt, kunnen er grote hoeveelheden druk worden opgebouwd, totdat de vlam een schokgolf afgeeft die een explosie veroorzaakt. Deze ontdekking kan een cruciaal hulpmiddel zijn om precies te begrijpen hoe supernova's voorkomen en kan wetenschappers zelfs een idee geven hoe de oerknal spontaan evolueerde van een kern van materie naar het universum zoals we het kennen, aldus de onderzoekers.
"We hebben de kritieke criteria gedefinieerd waar we een vlam kunnen aansturen om zelf zijn eigen turbulentie te genereren, spontaan te versnellen" en vervolgens te exploderen, aldus co-auteur Kareem Ahmed, een assistent-professor aan de University of Central Florida, zei in een verklaring. 'Toen we dieper begonnen te graven, realiseerden we ons dat dit te relateren is aan zoiets diepgaands als de oorsprong van het universum.'
Explosies kunnen energie op twee manieren afgeven: door deflagratie, wanneer een vlam drukgolven vrijgeeft die langzamer bewegen dan de geluidssnelheid (denk aan een flikkerende kaars die warmte afgeeft), of ontploffing, wanneer golven met supersonische snelheden naar buiten bewegen (denk aan een stok van TNT exploderen). In veel gevallen kan deflagratie leiden tot ontploffing en die overgang (bekend als de overgang van deflagratie naar detonatie of DDT) is de sleutel om uit te leggen hoe supernova's tot actie komen, schreven de auteurs van het onderzoek.
Simulaties in eerdere studies hebben aangetoond dat vlammen tijdens het ontvlammen spontaan kunnen versnellen als ze worden blootgesteld aan veel turbulentie. Deze versnelling veroorzaakt sterke schokgolven die de vlam steeds onstabieler maken, wat uiteindelijk de gebeurtenis in een gewelddadige ontploffing kan veranderen.
Dit proces zou kunnen verklaren hoe witte dwergen (de compacte lijken van ooit machtige sterren) miljoenen jaren in de ruimte kunnen smeulen voordat ze spontaan uitbarsten in supernova-explosies. De DDT-verklaring van supernova-explosie is echter alleen ooit gevalideerd in simulaties en nooit experimenteel getest. (Supernova's zijn notoir moeilijk te creëren op aarde zonder aanzienlijke medische en onderhoudskosten.) Dus, in hun nieuwe studie, testten de onderzoekers het proces door middel van een reeks kleine chemische explosies, die op dezelfde manier kunnen evolueren als een verre supernova.
Het team stak hun explosies aan in een speciaal apparaat, een turbulente schokbuis genaamd, een holle, 1,5 meter lange, 4,5 cm brede buis van 4,5 cm breed met aan één kant een vonkontsteker. Het andere uiteinde van de buis werd opengelaten (wat een ongebreidelde explosie mogelijk maakte) en het hele apparaat was bekleed met camera's en druksensoren.
Het team vulde de buis met verschillende concentraties waterstofgas en veroorzaakte vervolgens een vlam. Terwijl het zich uitbreidde en naar het open uiteinde van de buis voortbewoog, ging de vlam door een reeks kleine roosters die het vuur steeds turbulenter maakten. De druk nam toe voor de turbulente vlam, waardoor uiteindelijk supersonische schokgolven ontstonden en een ontploffing op gang kwam die met een snelheid van vijf keer de geluidssnelheid over de lengte van de buis schoot. (Geen enkele wetenschapper raakte gewond door deze gecontroleerde explosies.)
Met de resultaten van de chemische vlamexperimenten creëerden de onderzoekers een nieuw model om te simuleren hoe supernova-explosies onder vergelijkbare omstandigheden tot ontploffing zouden kunnen komen. De wetenschappers ontdekten dat, gezien de juiste dichtheid en het type materie in een ster, het brandende interieur van een witte dwerg inderdaad genoeg turbulente golven zou kunnen veroorzaken om een spontane explosie te veroorzaken, net zoals die in het laboratorium.
Als deze resultaten worden bevestigd door verder onderzoek, zullen ze meer doen dan alleen onze wetenschappelijke kennis van stellaire explosies uitbreiden; ze zouden ook ons begrip van de (aanzienlijk kleinere) explosies die onze auto's, vliegtuigen en ruimteschepen hier op aarde voortstuwen, kunnen verbeteren, aldus de onderzoekers. Houd je oren open voor de grotere pony die nog moet komen.
