Mysterieuze snelle radio-uitbarstingen geven in één seconde evenveel energie vrij als de zon in een jaar uitstort en behoren tot de meest raadselachtige verschijnselen in het universum. Nu hebben onderzoekers van Princeton University, het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het SLAC National Accelerator Laboratory een kosteneffectief experiment gesimuleerd en voorgesteld om de vroege stadia van dit proces te produceren en te observeren op een manier die ooit onmogelijk geacht met de bestaande technologie.

De buitengewone uitbarstingen in de ruimte worden veroorzaakt door hemellichamen zoals neutronen of ingestorte sterren die magnetars worden genoemd (magneet + ster), ingesloten in extreme magnetische velden. Deze velden zijn zo sterk dat ze het vacuüm in de ruimte veranderen in een exotisch plasma bestaande uit materie en antimaterie in de vorm van paren negatief geladen elektronen en positief geladen positronen, volgens de kwantumelektrodynamische (QED) theorie. Emissies van deze paren worden verondersteld verantwoordelijk te zijn voor de krachtige snelle radio-uitbarstingen.

Plasma koppelen

Het materie-antimaterie-plasma, "paarplasma" genoemd, staat in contrast met het gebruikelijke plasma dat fusiereacties voedt en 99% van het zichtbare universum uitmaakt. Dit plasma bestaat alleen uit materie in de vorm van elektronen en atoomkernen of ionen met een veel grotere massa. De elektron-positron plasma's bestaan ​​uit gelijke massa maar tegengesteld geladen deeltjes die onderhevig zijn aan vernietiging en creatie. Dergelijke plasma's kunnen een heel ander collectief gedrag vertonen.

"Onze laboratoriumsimulatie is een kleinschalige analoog van een magnetische omgeving", zegt natuurkundige Kenan Qu van het Princeton Department of Astrophysical Sciences. "Dit stelt ons in staat om QED-paarplasma's te analyseren", zegt Qu, eerste auteur van een onderzoek dat wordt getoond in Physics of Plasmas als een Scilight, of wetenschappelijk hoogtepunt, en ook eerste auteur van een artikel in Physical Review Letters waarop dit artikel verder gaat.

"In plaats van een sterk magnetisch veld te simuleren, gebruiken we een sterke laser", zei Qu. "Het zet energie om in paarplasma via zogenaamde QED-cascades. Het paarplasma verschuift vervolgens de laserpuls naar een hogere frequentie", zei hij. "Het opwindende resultaat demonstreert de vooruitzichten voor het creëren en observeren van QED-paarplasma in laboratoria en het mogelijk maken van experimenten om theorieën over snelle radio-uitbarstingen te verifiëren."

Er zijn eerder laboratorium-geproduceerde paarplasma's gemaakt, merkte natuurkundige Nat Fisch op, een professor in astrofysische wetenschappen aan de Princeton University en associate director voor academische zaken bij PPPL, die als hoofdonderzoeker voor dit onderzoek fungeert. "En we denken dat we weten welke wetten hun collectieve gedrag bepalen," zei Fisch. "Maar totdat we in het laboratorium daadwerkelijk een paarplasma produceren dat collectieve verschijnselen vertoont die we kunnen onderzoeken, kunnen we daar niet absoluut zeker van zijn.

Collectief gedrag

"Het probleem is dat collectief gedrag in paarplasma's notoir moeilijk te observeren is," voegde hij eraan toe. "Dus een belangrijke stap voor ons was om dit te zien als een gezamenlijk productie-observatieprobleem, in het besef dat een geweldige observatiemethode de voorwaarden versoepelt voor wat moet worden geproduceerd en op zijn beurt ons naar een meer praktische gebruikersfaciliteit leidt."

De unieke simulatie die het artikel voorstelt, creëert een QED-paarplasma met hoge dichtheid door de laser te laten botsen met een dichte elektronenstraal die zich met de snelheid van het licht verplaatst. Deze benadering is kostenefficiënt in vergelijking met de algemeen voorgestelde methode om ultrasterke lasers te laten botsen om de QED-cascades te produceren. De aanpak vertraagt ​​ook de beweging van plasmadeeltjes, waardoor sterkere collectieve effecten mogelijk zijn.

"Geen enkele laser is sterk genoeg om dit vandaag te bereiken en het bouwen ervan zou miljarden dollars kunnen kosten", zei Qu. "Onze aanpak ondersteunt sterk het gebruik van een elektronenstraalversneller en een matig sterke laser om QED-paarplasma te bereiken. De implicatie van ons onderzoek is dat het ondersteunen van deze aanpak veel geld zou kunnen besparen."

Momenteel zijn de voorbereidingen aan de gang voor het testen van de simulatie met een nieuwe ronde van laser- en elektronenexperimenten bij SLAC. "In zekere zin is wat we hier doen het startpunt van de cascade die radio-uitbarstingen produceert", zegt Sebastian Meuren, een SLAC-onderzoeker en voormalig postdoctoraal gastonderzoeker aan de Princeton University, die samen met Qu en Fisch de twee artikelen schreef.

Evoluerend experiment

"Als we zoiets als een radio-uitbarsting in het laboratorium zouden kunnen waarnemen, zou dat buitengewoon opwindend zijn", zei Meuren. "Maar het eerste deel is alleen om de verstrooiing van de elektronenstralen te observeren en als we dat eenmaal doen, zullen we de laserintensiteit verbeteren om hogere dichtheden te krijgen om de elektron-positron-paren daadwerkelijk te zien. Het idee is dat ons experiment zal evolueren de komende twee jaar of zo."

Het algemene doel van dit onderzoek is te begrijpen hoe lichamen zoals magnetars paarplasma creëren en welke nieuwe fysica geassocieerd met snelle radio-uitbarstingen tot stand wordt gebracht, zei Qu. "Dit zijn de centrale vragen waarin we geïnteresseerd zijn." + Verder verkennen

Proces dat leidt tot supernova-explosies en kosmische radio-uitbarstingen opgegraven bij PPPL