Optrævling af en forvirrende eksplosiv proces, der finder sted overalt i universet

Mystiske hurtige radioudbrud frigiver lige så meget energi på et sekund, som solen hælder ud på et år og er blandt de mest forvirrende fænomener i universet. Nu har forskere ved Princeton University, US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og SLAC National Accelerator Laboratory simuleret og foreslået et omkostningseffektivt eksperiment til at producere og observere de tidlige stadier af denne proces på en måde én gang menes at være umuligt med eksisterende teknologi.

De ekstraordinære udbrud i rummet producerer himmellegemer som neutron eller kollapsede stjerner kaldet magnetarer (magnet + stjerne) indesluttet i ekstreme magnetfelter. Disse felter er så stærke, at de forvandler vakuumet i rummet til et eksotisk plasma bestående af stof og antistof i form af par af negativt ladede elektroner og positivt ladede positroner ifølge kvanteelektrodynamisk (QED) teori. Emissioner fra disse par menes at være ansvarlige for de kraftige hurtige radioudbrud.

Par plasma

Stoffet-antistof-plasmaet, kaldet "parplasma", står i kontrast til det sædvanlige plasma, der giver næring til fusionsreaktioner og udgør 99% af det synlige univers. Dette plasma består kun af stof i form af elektroner og langt højere masse atomkerner eller ioner. Elektron-positronplasmaerne består af lige store, men modsat ladede partikler, der er genstand for udslettelse og skabelse. Sådanne plasmaer kan udvise ganske forskellig kollektiv adfærd.

"Vores laboratoriesimulering er en analog af et magnetarmiljø i lille skala," sagde fysiker Kenan Qu fra Princeton Department of Astrophysical Sciences. "Dette giver os mulighed for at analysere QED-parplasmaer," sagde Qu, førsteforfatter til en undersøgelse fremvist i Physics of Plasmas som Scilight, eller videnskabeligt højdepunkt, og også førsteforfatter til en artikel i Physical Review Letters, som nærværende artikel udvider.

"I stedet for at simulere et stærkt magnetfelt, bruger vi en stærk laser," sagde Qu. "Det konverterer energi til parplasma gennem det, der kaldes QED-kaskader. Parplasmaet skifter derefter laserpulsen til en højere frekvens," sagde han. "Det spændende resultat demonstrerer mulighederne for at skabe og observere QED-parplasma i laboratorier og muliggøre eksperimenter til at verificere teorier om hurtige radioudbrud."

Laboratorieproducerede parplasmaer er tidligere blevet skabt, bemærkede fysiker Nat Fisch, professor i astrofysiske videnskaber ved Princeton University og associeret direktør for akademiske anliggender ved PPPL, der fungerer som hovedefterforsker for denne forskning. "Og vi tror, ​​vi ved, hvilke love der styrer deres kollektive adfærd," sagde Fisch. "Men før vi rent faktisk producerer et par plasma i laboratoriet, der udviser kollektive fænomener, som vi kan undersøge, kan vi ikke være helt sikre på det.

Kollektiv adfærd

"Problemet er, at kollektiv adfærd i parplasmaer er notorisk svær at observere," tilføjede han. "Så et vigtigt skridt for os var at tænke på dette som et fælles produktions-observationsproblem, idet vi erkendte, at en fantastisk metode til observation afslapper betingelserne for, hvad der skal produceres og igen fører os til en mere praktisk brugerfacilitet."

Den unikke simulering, som papiret foreslår, skaber QED-parplasma med høj tæthed ved at kollidere laseren med en tæt elektronstråle, der bevæger sig nær lysets hastighed. Denne tilgang er omkostningseffektiv sammenlignet med den almindeligt foreslåede metode til at kollidere ultrastærke lasere for at producere QED-kaskaderne. Tilgangen bremser også plasmapartiklernes bevægelse og muliggør derved stærkere kollektive effekter.

"Ingen lasere er stærke nok til at opnå dette i dag, og at bygge dem kan koste milliarder af dollars," sagde Qu. "Vores tilgang støtter kraftigt brugen af ​​en elektronstråleaccelerator og en moderat stærk laser for at opnå QED-parplasma. Implikationen af ​​vores undersøgelse er, at understøttelse af denne tilgang kan spare mange penge."

I øjeblikket er forberedelser i gang til at teste simuleringen med en ny runde laser- og elektroneksperimenter på SLAC. "På en måde er det, vi laver her, udgangspunktet for den kaskade, der producerer radioudbrud," sagde Sebastian Meuren, en SLAC-forsker og tidligere postdoc-gæstestipendiat ved Princeton University, som var medforfatter til de to artikler sammen med Qu og Fisch.

Eksperiment i udvikling

"Hvis vi kunne observere noget som et radioudbrud i laboratoriet, ville det være ekstremt spændende," sagde Meuren. "Men den første del er bare at observere spredningen af ​​elektronstrålerne, og når vi gør det, vil vi forbedre laserintensiteten for at komme til højere tætheder for rent faktisk at se elektron-positron-parrene. Tanken er, at vores eksperiment vil udvikle sig over de næste to år eller deromkring."

Det overordnede mål med denne forskning er at forstå, hvordan kroppe som magnetarer skaber parplasma, og hvilken ny fysik, der er forbundet med hurtige radioudbrud, der skabes, sagde Qu. "Det er de centrale spørgsmål, vi er interesserede i." + Udforsk yderligere

Proces, der fører til supernovaeksplosioner og kosmiske radioudbrud afdækket ved PPPL