Mystisk strålning som sänds ut från avlägsna hörn av galaxen kunde äntligen förklaras med försök att återskapa ett unikt tillstånd av materia som blinkade till existens under de första ögonblicken efter Big Bang.

I 50 år, astronomer har förbryllat över konstiga radiovågor och gammastrålar som kastas ut från de snurrande resterna av döda stjärnor som kallas pulsarer.

Forskare tror att dessa gåtfulla, högenergetiska strålningspulser produceras av elektronskurar och deras antimateria-tvillingar, positroner. Universum fylldes kort med dessa överhettade, elektriskt laddade partiklar i sekunderna som följde efter Big Bang innan all antimateria försvann, tar med sig positronerna. Men astrofysiker tror att de villkor som behövs för att skapa positroner fortfarande kan existera i de kraftfulla elektriska och magnetiska fält som genereras runt pulsarer.

"Dessa fält är så starka, och de vrider sig och återansluter så våldsamt, att de i huvudsak tillämpar Einsteins ekvation E =mc ² och skapa materia och antimateria av energi, " sa professor Luis Silva vid Instituto Superior Técnico i Lissabon, Portugal. Tillsammans, elektronerna och positronerna tros bilda en överhettad form av materia som kallas plasma runt en pulsar.

Men de exakta villkoren som krävs för att producera en plasma som innehåller positroner är fortfarande oklara. Forskare förstår fortfarande inte varför radiovågorna som sänds ut av plasman runt pulsarer har egenskaper som liknar ljus i en laserstråle – en vågstruktur som kallas koherens.

Att få reda på, forskare vänder sig nu till kraftfulla datorsimuleringar för att modellera vad som kan hända. Förr, sådana simuleringar har kämpat för att efterlikna det häpnadsväckande antalet partiklar som genereras runt pulsarer. Men Prof. Silva och hans team, tillsammans med forskare vid University of California, Los Angeles i USA, har anpassat en datormodell som heter OSIRIS så att den kan köras på superdatorer, så att den kan följa miljarder partiklar samtidigt.

Den uppdaterade modellen, som ingår i InPairs-projektet, har identifierat de astrofysiska förhållanden som är nödvändiga för att pulsarer ska generera elektroner och positroner när magnetfält slits isär och återansluts till sina grannar i en process som kallas magnetisk återkoppling.

OSIRIS förutspådde också att gammastrålar som släpps ut av elektroner och positroner när de rasar över ett magnetfält kommer att lysa i diskontinuerliga sprutor snarare än jämna strålar.

Fynden har lagt vikt till teorier om att de gåtfulla signalerna som kommer från pulsarer produceras genom att elektroner förstörs när de rekombinerar med positroner i magnetfälten runt dessa döda stjärnor.

Prof. Silva använder nu data från dessa simuleringar för att söka efter liknande burstsignaturer i tidigare astronomiska observationer. Kontrollmönstren skulle avslöja detaljer om hur magnetfält utvecklas runt pulsarer, ger nya ledtrådar om vad som händer inom dem. Det kommer också att bidra till att bekräfta giltigheten av OSIRIS-modellen för forskare som försöker skapa antimateria i laboratoriet.

Blästringslasrar

Insikter från simuleringarna används redan för att hjälpa till att designa experiment som kommer att använda kraftfulla lasrar för att efterlikna de enorma mängder energi som frigörs av pulsarer. Extreme Light Infrastructure kommer att spränga mål inte bredare än ett människohår med petawatt laserkraft. Under detta projekt, lasrar är under uppbyggnad vid tre anläggningar runt om i Europa – i Măgurele i Rumänien, Szeged i Ungern, och Prag i Tjeckien. Om det lyckas, experimenten kunde skapa miljarder elektron-positronpar.

"OSIRIS hjälper forskare att optimera laseregenskaper för att skapa materia och antimateria som pulsarer gör, ", sa Prof. Silva. "Modellen erbjuder en färdplan för framtida experiment."

Men det finns några som försöker använda materia-antimateriaplasma på ännu mer kontrollerade sätt så att de kan studera dem.

Professor Thomas Sunn Pedersen, en tillämpad fysiker vid Max Planck Institute for Plasma Physics i Garching, Tyskland, använder laddade metallplattor för att begränsa positroner vid sidan av elektroner som ett första steg mot att skapa ett materia-antimateriaplasma på en bordsskiva.

Även om prof. Sunn Pedersen arbetar med den mest intensiva strålen av lågenergipositroner i världen, att koncentrera tillräckligt med partiklar för att antända en materia-antimateriaplasma är fortfarande utmanande. Forskare använder elektromagnetiska "burar" som genereras under vakuum för att begränsa antimateria, men dessa kräver öppningar för att partiklarna ska injiceras inuti. Samma öppningar gör att partiklar kan läcka ut igen, dock, vilket gör det svårt att bygga upp tillräckligt med partiklar för att plasma ska bildas.

Prof. Sunn Pedersen har uppfunnit ett elektromagnetiskt fält med en "fälldörr" som kan släppa in positroner innan de stängs bakom dem. Förra året, den nya designen kunde öka tiden som antimateriapartiklarna förblev instängda i fältet med en faktor 20, håller dem på plats i över en sekund.

"Ingen har någonsin uppnått det i en helt magnetisk fälla, ", sa prof. Sunn Pedersen. "Vi har bevisat att idén fungerar."

Men att hålla dessa svårfångade antimateriapartiklar på plats är bara en milstolpe mot att skapa ett materia-antimateriaplasma i laboratoriet. Som en del av PAIRPLASMA-projektet, Prof. Sunn Pedersen ökar nu kvaliteten på vakuumet och genererar fältet med en svävande ring för att begränsa positroner i över en minut. Att studera egenskaperna hos plasma som antänds under dessa förhållanden kommer att ge värdefulla insikter för närliggande fält.

I juni, till exempel, Prof. Sunn Pedersen använde en variant av denna magnetfälla för att sätta ett nytt världsrekord i kärnfusionsreaktioner antända i konventionella materiaplasma.

"Kollektiva fenomen som turbulens komplicerar för närvarande kontroll över stora fusionsplasma, ", sa prof. Sunn Pedersen. "Mycket av det drivs av att jonerna är mycket tyngre än elektronerna i dem."

Han hoppas att genom att producera elektron-positronplasma som de som skapades av Big Bang, det kan vara möjligt att kringgå denna komplikation eftersom elektroner och positroner har exakt samma massa. Om de kan kontrolleras, sådana plasma kan hjälpa till att validera komplexa modeller och återskapa förhållandena kring pulsarer så att de kan studeras på nära håll i laboratoriet för första gången.

Om det lyckas kan det äntligen ge astronomer de svar som de har undrat över så länge.

Vad är en pulsar?

Först upptäcktes av astronomen Jocelyn Bell 1967, pulsarer är högmagnetiserade, roterande rester av stjärnor som har kollapsat i slutet av sitt liv. De sänder ut strålar av gammastrålar och radiovågor som snurrar ungefär som ljuset från en fyr. Sett från jorden, detta ger intrycket av att strålningen anländer i pulser. Man tror att de intensiva magnetfälten runt dessa döda stjärnor genererar moln av laddade partiklar som kallas plasma, som i sin tur genererar strålningen.