Mystiska snabba radioskurar släpper ut lika mycket energi på en sekund som solen häller ut på ett år och är bland de mest förbryllande fenomenen i universum. Nu har forskare vid Princeton University, US Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och SLAC National Accelerator Laboratory simulerat och föreslagit ett kostnadseffektivt experiment för att producera och observera de tidiga stadierna av denna process på ett sätt en gång tros vara omöjligt med befintlig teknik.

De extraordinära skurarna i rymden producerar himlakroppar som neutroner, eller kollapsade, stjärnor som kallas magnetarer (magnet + stjärna) inneslutna i extrema magnetfält. Dessa fält är så starka att de förvandlar vakuumet i rymden till ett exotiskt plasma som består av materia och antimateria i form av par av negativt laddade elektroner och positivt laddade positroner, enligt kvantelektrodynamisk (QED) teori. Emissioner från dessa par tros vara ansvariga för de kraftfulla snabba radioskurarna.

Koppla ihop plasma

Materia-antimateriaplasman, kallad "parplasma", står i kontrast till den vanliga plasman som ger bränsle till fusionsreaktioner och utgör 99% av det synliga universum. Denna plasma består av materia endast i form av elektroner och atomkärnor med mycket högre massa, eller joner. Elektron-positronplasman består av lika massa men motsatt laddade partiklar som är föremål för förintelse och skapande. Sådana plasma kan uppvisa helt olika kollektiva beteenden.

"Vår laboratoriesimulering är en småskalig analog av en magnetisk miljö", säger fysiker Kenan Qu vid Princeton Department of Astrophysical Sciences. "Detta tillåter oss att analysera QED-parplasma", säger Qu, första författare till en studie som presenterades i Physics of Plasmas som en Scilight, eller vetenskapshöjdpunkt, och även förstaförfattare till en artikel i Physical Review Letters som denna artikel utökar.

"Istället för att simulera ett starkt magnetfält använder vi en stark laser," sa Qu. "Det omvandlar energi till parplasma genom vad som kallas QED-kaskader. Parplasman flyttar sedan laserpulsen till en högre frekvens", sa han. "Det spännande resultatet visar möjligheterna att skapa och observera QED-parplasma i laboratorier och möjliggöra experiment för att verifiera teorier om snabba radioskurar."

Laboratorieproducerade parplasma har tidigare skapats, konstaterade fysikern Nat Fisch, professor i astrofysiska vetenskaper vid Princeton University och biträdande direktör för akademiska frågor vid PPPL som fungerar som huvudutredare för denna forskning. "Och vi tror att vi vet vilka lagar som styr deras kollektiva beteende," sa Fisch. "Men tills vi faktiskt producerar ett plasmapar i laboratoriet som uppvisar kollektiva fenomen som vi kan undersöka, kan vi inte vara helt säkra på det.

Kollektivt beteende

"Problemet är att kollektivt beteende i parplasma är notoriskt svårt att observera," tillade han. "Därför var ett stort steg för oss att tänka på detta som ett gemensamt produktions-observationsproblem, med insikten att en fantastisk metod för observation lättar på villkoren för vad som måste produceras och i sin tur leder oss till en mer praktiskt användbar anläggning."

Den unika simuleringen som uppsatsen föreslår skapar QED-parplasma med hög densitet genom att kollidera lasern med en tät elektronstråle som rör sig nära ljusets hastighet. Detta tillvägagångssätt är kostnadseffektivt jämfört med den allmänt föreslagna metoden att kollidera ultrastarka lasrar för att producera QED-kaskader. Tillvägagångssättet bromsar också plasmapartiklars rörelse, vilket möjliggör starkare kollektiva effekter.

"Inga lasrar är tillräckligt starka för att uppnå detta idag och att bygga dem kan kosta miljarder dollar," sa Qu. "Vårt tillvägagångssätt stöder starkt att använda en elektronstråleaccelerator och en måttligt stark laser för att uppnå QED-parplasma. Innebörden av vår studie är att stödet till detta tillvägagångssätt kan spara mycket pengar."

Just nu pågår förberedelser för att testa simuleringen med en ny omgång laser- och elektronexperiment vid SLAC. "På sätt och vis är det vi gör här startpunkten för den kaskad som producerar radioskurar", säger Sebastian Meuren, en SLAC-forskare och tidigare postdoktorand gäststipendiat vid Princeton University som var medförfattare till de två uppsatserna tillsammans med Qu och Fisch.

Experiment under utveckling

"Om vi ​​kunde observera något som en radiosprängning i laboratoriet skulle det vara extremt spännande," sa Meuren. "Men den första delen är bara att observera spridningen av elektronstrålarna och när vi väl gör det kommer vi att förbättra laserintensiteten för att komma till högre densiteter för att faktiskt se elektron-positron-paren. Tanken är att vårt experiment kommer att utvecklas över de kommande två åren eller så."

Det övergripande målet med denna forskning är att förstå hur kroppar som magnetarer skapar parplasma och vilken ny fysik som är förknippad med snabba radioskurar som uppstår, sa Qu. "Det här är de centrala frågorna vi är intresserade av." + Utforska vidare

Process som leder till supernovaexplosioner och kosmiska radioskurar som grävdes fram vid PPPL