Mysterieuze straling die uit verre uithoeken van de melkweg wordt uitgezonden, kan eindelijk worden verklaard door pogingen om een ​​unieke toestand van materie na te bootsen die in de eerste ogenblikken na de oerknal tot leven kwam.

Al 50 jaar, astronomen hebben zich verbaasd over vreemde radiogolven en gammastralen die worden uitgestoten door de ronddraaiende overblijfselen van dode sterren die pulsars worden genoemd.

Onderzoekers geloven dat deze raadselachtige, hoog-energetische stralingspulsen worden geproduceerd door uitbarstingen van elektronen en hun antimaterie-tweeling, positronen. Het heelal was even gevuld met deze oververhitte, elektrisch geladen deeltjes in de seconden die volgden op de oerknal voordat alle antimaterie verdween, nemen de positronen mee. Maar astrofysici denken dat de omstandigheden die nodig zijn om positronen te smeden nog steeds bestaan ​​in de krachtige elektrische en magnetische velden die rond pulsars worden gegenereerd.

"Deze velden zijn zo sterk, en ze draaien en verbinden zich zo gewelddadig, dat ze in wezen de vergelijking van Einstein van E =mc . toepassen ² en maak materie en antimaterie uit energie, " zei professor Luis Silva van het Instituto Superior Técnico in Lissabon, Portugal. Samen, men denkt dat de elektronen en positronen een oververhitte vorm van materie vormen die bekend staat als een plasma rond een pulsar.

Maar de exacte voorwaarden die nodig zijn om een ​​plasma te produceren dat positronen bevat, blijven onduidelijk. Wetenschappers begrijpen ook nog steeds niet waarom de radiogolven die door het plasma rond pulsars worden uitgezonden, eigenschappen hebben die vergelijkbaar zijn met die van licht in een laserstraal - een golfstructuur die bekend staat als coherentie.

Er achter komen, onderzoekers wenden zich nu tot krachtige computersimulaties om te modelleren wat er aan de hand kan zijn. Vroeger, dergelijke simulaties hebben moeite gehad om het duizelingwekkende aantal deeltjes dat rond pulsars wordt gegenereerd, na te bootsen. Maar prof. Silva en zijn team, samen met onderzoekers van de Universiteit van Californië, Los Angeles in de Verenigde Staten, een computermodel genaamd OSIRIS hebben aangepast zodat het op supercomputers kan draaien, waardoor het miljarden deeltjes tegelijk kan volgen.

Het bijgewerkte model, dat deel uitmaakt van het InPairs-project, heeft de astrofysische omstandigheden geïdentificeerd die nodig zijn voor pulsars om elektronen en positronen te genereren wanneer magnetische velden uit elkaar worden gescheurd en opnieuw worden bevestigd aan hun buren in een proces dat bekend staat als magnetische herverbinding.

OSIRIS voorspelde ook dat de gammastralen die vrijkomen door elektronen en positronen terwijl ze over een magnetisch veld racen, in discontinue spurts zullen schijnen in plaats van in vloeiende stralen.

De bevindingen hebben gewicht toegevoegd aan theorieën dat de raadselachtige signalen afkomstig van pulsars worden geproduceerd door de vernietiging van elektronen terwijl ze recombineren met positronen in de magnetische velden rond deze dode sterren.

Prof. Silva gebruikt de gegevens van deze simulaties nu om te zoeken naar soortgelijke burst-signaturen in eerdere astronomische waarnemingen. De verklikkerpatronen zouden details onthullen over hoe magnetische velden rond pulsars evolueren, nieuwe aanwijzingen geven over wat er in hen omgaat. Het zal ook helpen de validiteit van het OSIRIS-model te bevestigen voor onderzoekers die antimaterie in het laboratorium proberen te creëren.

Laserstralen

Inzichten die uit de simulaties zijn verkregen, worden al gebruikt om experimenten te helpen ontwerpen waarbij krachtige lasers worden gebruikt om de enorme hoeveelheden energie die vrijkomt door pulsars na te bootsen. De Extreme Light Infrastructure zal doelen niet verder dan een mensenhaar afschieten met petawatt laservermogen. Onder dit project, lasers zijn in aanbouw bij drie faciliteiten in Europa – in Măgurele in Roemenië, Szeged in Hongarije, en Praag in Tsjechië. Indien succesvol, de experimenten zouden miljarden elektron-positronenparen kunnen creëren.

"OSIRIS helpt onderzoekers de lasereigenschappen te optimaliseren om materie en antimaterie te creëren zoals pulsars doen, " zei Prof. Silva. "Het model biedt een routekaart voor toekomstige experimenten."

Maar er zijn er die proberen om materie-antimaterie plasma's op nog meer gecontroleerde manieren te gebruiken, zodat ze ze kunnen bestuderen.

Professor Thomas Sunn Pedersen, een toegepast natuurkundige aan het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in Garching, Duitsland, gebruikt geladen metalen platen om positronen naast elektronen op te sluiten als een eerste stap naar het creëren van een materie-antimaterie-plasma op een tafelblad.

Hoewel Prof. Sunn Pedersen werkt met de meest intense bundel van lage-energetische positronen ter wereld, het concentreren van voldoende deeltjes om een ​​plasma van materie en antimaterie te doen ontbranden, blijft een uitdaging. Onderzoekers gebruiken elektromagnetische 'kooien' die onder vacuüm zijn gegenereerd om antimaterie op te sluiten, maar deze vereisen openingen voor de deeltjes die erin worden geïnjecteerd. Deze zelfde openingen zorgen ervoor dat deeltjes terug naar buiten kunnen lekken, echter, waardoor het moeilijk is om voldoende deeltjes op te bouwen om een ​​plasma te vormen.

Prof. Sunn Pedersen heeft een elektromagnetisch veld uitgevonden met een 'valdeur' die positronen kan binnenlaten voordat ze zich erachter sluiten. Vorig jaar, het nieuwe ontwerp was in staat om de tijd dat de antimateriedeeltjes in het veld opgesloten bleven met een factor 20 te verlengen, houd ze meer dan een seconde op hun plaats.

"Niemand heeft dat ooit bereikt in een volledig magnetische val, " zei Prof. Sunn Pedersen. "We hebben bewezen dat het idee werkt."

Maar het op hun plaats houden van deze ongrijpbare antimateriedeeltjes is slechts één mijlpaal op weg naar het creëren van een materie-antimaterieplasma in het laboratorium. Als onderdeel van het PAIRPLASMA-project, Prof. Sunn Pedersen verhoogt nu de kwaliteit van het vacuüm en genereert het veld met een zwevende ring om positronen meer dan een minuut op te sluiten. Het bestuderen van de eigenschappen van plasma's die onder deze omstandigheden worden ontstoken, zal waardevolle inzichten opleveren voor aangrenzende velden.

In juni, bijvoorbeeld, Prof. Sunn Pedersen gebruikte een variant van deze magnetische val om een ​​nieuw wereldrecord te vestigen in kernfusiereacties die ontstoken werden in conventionele materieplasma's.

"Collectieve verschijnselen zoals turbulentie bemoeilijken momenteel de controle over grote fusieplasma's, " zei Prof. Sunn Pedersen. "Veel daarvan wordt veroorzaakt door het feit dat de ionen veel zwaarder zijn dan de elektronen erin."

Hij hoopt dat door het produceren van elektron-positronplasma's zoals die gemaakt door de oerknal, het is misschien mogelijk om deze complicatie te omzeilen omdat elektronen en positronen exact dezelfde massa hebben. Als ze kunnen worden gecontroleerd, dergelijke plasma's kunnen helpen om complexe modellen te valideren en de omstandigheden rond pulsars na te bootsen, zodat ze voor het eerst van dichtbij in het laboratorium kunnen worden bestudeerd.

Als het lukt, kan het astronomen eindelijk de antwoorden geven waar ze zo lang over hebben nagedacht.

Wat is een pulsar?

Voor het eerst ontdekt door astronoom Jocelyn Bell in 1967, pulsars zijn de sterk gemagnetiseerde, roterende overblijfselen van sterren die aan het einde van hun leven zijn ingestort. Ze zenden bundels van gammastralen en radiogolven uit die net als het licht van een vuurtoren ronddraaien. Vanaf de aarde bekeken, dit geeft de indruk dat de straling in pulsen aankomt. Men denkt dat de intense magnetische velden rond deze dode sterren wolken van geladen deeltjes genereren die bekend staan ​​als plasma's, die op hun beurt de straling genereren.