Hvordan vi skabte et mini gammastråleudbrud i laboratoriet for første gang

Gammastråler, intense lyseksplosioner, er de lyseste begivenheder, der nogensinde er observeret i universet - varer ikke længere end sekunder eller minutter. Nogle er så lysende, at de kan observeres med det blotte øje, såsom udbruddet "GRB 080319B" opdaget af NASAs Swift GRB Explorer-mission den 19. marts, 2008.

Men på trods af at de er så intense, forskere ved ikke rigtig, hvad der forårsager gammastråleudbrud. Der er endda mennesker, der tror, ​​at nogle af dem kan være beskeder sendt fra avancerede fremmede civilisationer. Nu har vi for første gang formået at genskabe en miniversion af et gammastråleudbrud i laboratoriet - der åbner op for en helt ny måde at undersøge deres egenskaber på. Vores forskning er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .

En idé til oprindelsen af ​​gammastråleudbrud er, at de på en eller anden måde udsendes under emissionen af ​​stråler af partikler frigivet af massive astrofysiske objekter, såsom sorte huller. Dette gør gammastråleudbrud ekstremt interessante for astrofysikere - deres detaljerede undersøgelse kan afsløre nogle nøgleegenskaber ved de sorte huller, de stammer fra.

Strålerne frigivet af de sorte huller ville for det meste være sammensat af elektroner og deres "antistof" ledsagere, positronerne – alle partikler har antistof-modstykker, der er nøjagtigt identiske med dem selv, kun med modsat ladning. Disse bjælker skal have stærke, selvgenererede magnetfelter. Rotationen af ​​disse partikler rundt om felterne afgiver kraftige udbrud af gammastråling. Eller, i det mindste, det er, hvad vores teorier forudsiger. Men vi ved faktisk ikke, hvordan felterne ville blive genereret.

Desværre, der er et par problemer med at studere disse udbrud. Ikke kun holder de i korte perioder, men mest problematisk, de stammer fra fjerne galakser, nogle gange endda milliarder lysår fra Jorden (forestil dig et et efterfulgt af 25 nuller – det er dybest set, hvad en milliard lysår er i meter).

Det betyder, at du er afhængig af at se på noget utroligt langt væk, der sker tilfældigt, og varer kun få sekunder. Det er lidt som at forstå, hvad et stearinlys er lavet af, ved kun at have glimt af stearinlys, der fra tid til anden bliver tændt tusindvis af kilometer fra dig.

Verdens mest kraftfulde laser

Det er for nylig blevet foreslået, at den bedste måde at finde ud af, hvordan gammastråleudbrud er produceret, ville være ved at efterligne dem i små reproduktioner i laboratoriet - reproducere en lille kilde til disse elektron-positronstråler og se på, hvordan de udvikler sig, når de efterlades på egen hånd. Vores gruppe og vores samarbejdspartnere fra USA, Frankrig, Storbritannien, og Sverige, for nylig lykkedes det at skabe den første replika i lille skala af dette fænomen ved at bruge en af ​​de mest intense lasere på Jorden, Gemini laser, vært af Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien.

Hvor intens er den mest intense laser på Jorden? Tag al den solenergi, der rammer hele Jorden, og klem den ind i et par mikrometer (dybest set tykkelsen af ​​et menneskehår), og du har fået intensiteten af ​​et typisk laserskud i Gemini. Skyder denne laser på et komplekst mål, vi var i stand til at frigive ultrahurtige og tætte kopier af disse astrofysiske jetfly og lave ultrahurtige film af, hvordan de opfører sig. Nedskaleringen af ​​disse eksperimenter er dramatisk:Tag en rigtig stråle, der strækker sig selv i tusindvis af lysår, og komprimer den ned til et par millimeter.

I vores eksperiment, vi kunne observere, for første gang, nogle af de nøglefænomener, der spiller en stor rolle i genereringen af ​​gammastråleudbrud, såsom selvgenerering af magnetiske felter, der varede i lang tid. Disse var i stand til at bekræfte nogle større teoretiske forudsigelser om styrken og fordelingen af ​​disse felter. Kort sagt, vores eksperiment bekræfter uafhængigt, at de modeller, der i øjeblikket bruges til at forstå gammastråleudbrud, er på rette vej.

Eksperimentet er ikke kun vigtigt for at studere gammastråleudbrud. Stof kun lavet af elektroner og positroner er en yderst ejendommelig tilstand af stof. Normalt stof på Jorden er overvejende lavet af atomer:en tung positiv kerne omgivet af skyer af lys og negative elektroner.

På grund af den utrolige forskel i vægt mellem disse to komponenter (den letteste kerne vejer 1836 gange elektronen) kommer næsten alle de fænomener, vi oplever i vores hverdag, fra elektronernes dynamik, som er meget hurtigere til at reagere på eksternt input (lys, andre partikler, magnetiske felter, you name it) end kerner. Men i en elektron-positronstråle, begge partikler har nøjagtig samme masse, hvilket betyder, at denne forskel i reaktionstider er fuldstændig udslettet. Dette medfører en mængde fascinerende konsekvenser. For eksempel, lyd ville ikke eksistere i en elektron-positron verden.

Så langt så godt, men hvorfor skulle vi bekymre os så meget om begivenheder, der er så fjerne? Der er faktisk flere grunde. Først, at forstå, hvordan gammastråleudbrud dannes, vil give os mulighed for at forstå meget mere om sorte huller og dermed åbne et stort vindue til, hvordan vores univers blev født, og hvordan det vil udvikle sig.

Men der er en mere subtil grund. SETI – Search for Extra-Terrestrial Intelligence – leder efter beskeder fra fremmede civilisationer ved at forsøge at fange elektromagnetiske signaler fra rummet, som ikke kan forklares naturligt (det fokuserer hovedsageligt på radiobølger, men gammastråleudbrud er også forbundet med sådan stråling).

Selvfølgelig, hvis du sætter din detektor til at lede efter emissioner fra rummet, du får rigtig mange forskellige signaler. Hvis du virkelig ønsker at isolere intelligente transmissioner, du skal først sikre dig, at alle de naturlige emissioner er helt kendte, så de kan udelukkes. Vores undersøgelse hjælper med at forstå sorte hul og pulsar-emissioner, så det, hver gang vi opdager noget lignende, vi ved, at det ikke kommer fra en fremmed civilisation.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.