Antistofplasma afslører hemmeligheder bag deep space-signaler

Mystisk stråling udsendt fra fjerne hjørner af galaksen kunne endelig forklares med bestræbelser på at genskabe en unik tilstand af stof, der blinkede ind i eksistensen i de første øjeblikke efter Big Bang.

I 50 år, astronomer har undret sig over mærkelige radiobølger og gammastråler, der er kastet ud fra de roterende rester af døde stjerner kaldet pulsarer.

Forskere mener, at disse gådefulde, stærkt energiske pulser af stråling frembringes af udbrud af elektroner og deres tvillingemateriale, positroner. Universet blev kort fyldt med disse overophedede, elektrisk ladede partikler i sekunderne efter Big Bang før al antistof forsvandt, tager positronerne med sig. Men astrofysikere mener, at de nødvendige betingelser for at skabe positroner stadig kan eksistere i de kraftige elektriske og magnetiske felter, der genereres omkring pulsarer.

"Disse felter er så stærke, og de vrider sig og forbinder igen så voldsomt, at de i det væsentlige anvender Einsteins ligning for E =mc ² og skaber stof og antistof ud af energi, " sagde professor Luis Silva ved Instituto Superior Técnico i Lissabon, Portugal. Sammen, elektronerne og positronerne menes at danne en overophedet form af stof kendt som et plasma omkring en pulsar.

Men de nøjagtige betingelser, der er nødvendige for at producere et plasma, der indeholder positroner, er stadig uklare. Forskere forstår heller stadig ikke, hvorfor radiobølgerne, der udsendes af plasmaet omkring pulsarer, har egenskaber, der ligner lys i en laserstråle - en bølgestruktur kendt som koherens.

At finde ud af, forskere går nu over til kraftfulde computersimuleringer for at modellere, hvad der kan foregå. I fortiden, sådanne simuleringer har kæmpet for at efterligne det svimlende antal partikler, der genereres omkring pulsarer. Men prof. Silva og hans team, sammen med forskere ved University of California, Los Angeles i USA, har tilpasset en computermodel kaldet OSIRIS, så den kan køre på supercomputere, lader den følge milliarder af partikler samtidigt.

Den opdaterede model, som er en del af InPairs-projektet, har identificeret de astrofysiske forhold, der er nødvendige for, at pulsarer kan generere elektroner og positroner, når magnetiske felter rives fra hinanden og fastgøres igen til deres naboer i en proces kendt som magnetisk genforbindelse.

OSIRIS forudsagde også, at de gammastråler, der frigives af elektroner og positroner, når de løber hen over et magnetfelt, vil skinne i diskontinuerlige sprøjter i stedet for glatte stråler.

Fundene har lagt vægt på teorier om, at de gådefulde signaler, der kommer fra pulsarer, frembringes ved ødelæggelse af elektroner, når de rekombineres med positroner i magnetfelterne omkring disse døde stjerner.

Prof. Silva bruger nu data fra disse simuleringer til at søge efter lignende burst-signaturer i tidligere astronomiske observationer. Kontrolmønstrene ville afsløre detaljer om, hvordan magnetiske felter udvikler sig omkring pulsarer, giver nye spor om, hvad der foregår indeni dem. Det vil også hjælpe med at bekræfte gyldigheden af ​​OSIRIS -modellen for forskere, der forsøger at oprette antimateriale i laboratoriet.

Sprængning af lasere

Indsigt opnået fra simuleringerne bliver allerede brugt til at hjælpe med at designe eksperimenter, der vil bruge kraftige lasere til at efterligne de enorme mængder energi, der frigives af pulsarer. Extreme Light Infrastructure vil sprænge mål ikke bredere end et menneskehår med petawatt laserkraft. Under dette projekt, lasere er under opførelse på tre faciliteter rundt om i Europa - i Măgurele i Rumænien, Szeged i Ungarn, og Prag i Tjekkiet. Hvis det lykkes, eksperimenterne kunne skabe milliarder af elektron-positron-par.

"OSIRIS hjælper forskere med at optimere laseregenskaber for at skabe stof og antistof som pulsarer gør, " sagde prof. Silva. "Modellen tilbyder en køreplan for fremtidige eksperimenter."

Men der er nogle, der forsøger at bruge plasma-antimaterieplasmaer på endnu mere kontrollerede måder, så de kan studere dem.

Professor Thomas Sunn Pedersen, en anvendt fysiker ved Max Planck Institute for Plasma Physics i Garching, Tyskland, bruger ladede metalplader til at begrænse positroner sammen med elektroner som et første skridt i retning af at skabe et stof-antimateriale plasma på en bordplade.

Selvom prof. Sunn Pedersen arbejder med den mest intense stråle af lavenergipositroner i verden, at koncentrere nok partikler til at antænde et stof-antistofplasma er fortsat udfordrende. Forskere bruger elektromagnetiske 'bure' genereret under vakuum til at begrænse antistof, men disse kræver åbninger for at partiklerne kan sprøjtes ind. Disse samme åbninger tillader partikler at lække ud igen, imidlertid, hvilket gør det svært at opbygge nok partikler til at plasma kan dannes.

Prof. Sunn Pedersen har opfundet et elektromagnetisk felt med en 'fældedør', der kan lukke positroner ind, før de lukker sig bag dem. Sidste år, det nye design var i stand til at øge den tid, hvor antistofpartiklerne forblev indespærret i marken med en faktor på 20, holde dem på plads i over et sekund.

"Ingen har nogensinde opnået det i en fuldt magnetisk fælde, " sagde prof. Sunn Pedersen. "Vi har bevist, at ideen virker."

Men at holde disse undvigende antimateriepartikler på plads er kun en milepæl mod at skabe et stof-antimaterieplasma i laboratoriet. Som en del af PAIRPLASMA-projektet, Prof. Sunn Pedersen øger nu kvaliteten af ​​vakuumet og genererer feltet med en leviterende ring for at indeslutte positroner i over et minut. At studere plasmas egenskaber antændt under disse betingelser vil give værdifuld indsigt til nabofelter.

I juni, for eksempel, Prof. Sunn Pedersen brugte en variation af denne magnetiske fælde til at sætte en ny verdensrekord i atomfusionsreaktioner, der blev antændt i plasmaer med konventionelt stof.

"Kollektive fænomener som turbulens komplicerer i øjeblikket kontrol over store fusionsplasmaer, " sagde prof. Sunn Pedersen. "Meget af det er drevet af, at ionerne er meget tungere end elektronerne i dem."

Han håber, at ved at producere elektron-positron-plasmaer som dem, der blev skabt af Big Bang, det kan være muligt at omgå denne komplikation, fordi elektroner og positroner har nøjagtig samme masse. Hvis de kan kontrolleres, sådanne plasmaer kan hjælpe med at validere komplekse modeller og genskabe forholdene omkring pulsarer, så de kan studeres tæt på i laboratoriet for første gang.

Hvis det lykkes, kan det endelig give astronomer de svar, de har undret sig over så længe.

Hvad er en pulsar?

Først opdaget af astronomen Jocelyn Bell i 1967, pulsarer er de stærkt magnetiserede, roterende rester af stjerner, der er faldet sammen ved slutningen af ​​deres liv. De udsender stråler af gammastråler og radiobølger, der spinder meget som lyset fra et fyrtårn. Set fra Jorden, dette giver indtryk af, at strålingen ankommer i pulser. Det menes, at de intense magnetfelter omkring disse døde stjerner genererer skyer af ladede partikler kendt som plasmaer, som igen genererer strålingen.