Mer än 99 % av det synliga universum existerar i ett överhettat tillstånd som kallas plasma – en joniserad gas av elektroner och joner. Rörelsen av dessa laddade partiklar producerar magnetiska fält som bildar en interstellär magnetisk väv. Dessa magnetfält är viktiga för ett brett spektrum av processer, från utformningen av galaxer och bildandet av stjärnor till att kontrollera rörelsen och accelerationen av högenergipartiklar som kosmiska strålar – protoner och elektroner som zoomar genom universum med nästan ljusets hastighet.

I tidigare forskning, forskare fann att i regioner där högenergielektroner produceras, magnetiska fält intensifieras. Men tills nu, hur energipartiklar påverkar magnetfält var inte väl förstått. I en tidning publicerad på omslaget till Fysiska granskningsbrev i maj, forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory visar hur elektroner kan förstärka magnetfält till mycket högre intensiteter än vad som tidigare var känt.

Elektronernas rörelse bär en elektrisk ström, som producerar magnetfält. Vanligtvis, laddningar från bakgrundsplasma stör denna ström genom att röra sig på ett sätt som avbryter den, gör starka magnetfält svåra att producera. Med hjälp av numeriska simuleringar och teoretiska modeller, forskarna fann att högenergielektroner faktiskt kan driva ut bakgrundsplasman för att skapa ett hål, vilket gör det svårare för plasman att avbryta sin ström.

"När strömmen exponeras, starka magnetiska fält produceras som ytterligare trycker bort bakgrundsplasman, skapa större hål, lämnar mer av strömmen exponerad, och producerar ännu starkare magnetfält, säger Ryan Peterson, en doktorsexamen student vid Stanford University och SLAC som är den första författaren till publikationen. "Så småningom, dessa magnetfält blir så starka att de böjer elektronerna och saktar ner dem."

Denna process kan potentiellt vara på gång i de ljusaste och mest energiska elektromagnetiska händelserna i universum:extrema explosioner som kallas gammastrålningskurar. Observationer tyder på att magnetfält måste förstärkas avsevärt av energirika partiklar för att producera den observerade strålningen, men, tills nu, hur fältet intensifieras har varit ett mysterium.

"Varje gång en ny grundläggande process identifieras, det kan få viktiga konsekvenser och tillämpningar inom olika forskningsområden, säger Frederico Fiuza, en vetenskapsman som arbetade med denna forskning och leder vetenskapsteorigruppen med hög energidensitet vid SLAC. "I detta fall, förstärkningen av magnetfält med högenergielektroner är känd för att vara viktig inte bara för extrema astrofysiska miljöer, som gammastrålning, men också för laboratorieapplikationer baserade på elektronstrålar."

Forskarna arbetar för närvarande med nya simuleringar för att bättre förstå vilken roll denna process kan spela vid gammastrålning. De hoppas också hitta sätt att reproducera det i ett laboratorieexperiment, vilket skulle vara ett viktigt steg i utvecklingen av kompakta högenergistrålningskällor. Dessa källor skulle tillåta forskare att ta bilder av materia på atomär skala med extremt hög upplösning för tillämpningar inom medicin, biologi och materialforskning.