Разгадка запутанного взрывного процесса, происходящего во Вселенной

Таинственные быстрые радиовсплески выделяют столько энергии за одну секунду, сколько Солнце излучает за год, и являются одними из самых загадочных явлений во ой. Теперь исследователи из Принстонского университета, Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и Национальной ускорительной лаборатории SLAC смоделировали и предложили экономически эффективный эксперимент для производства и наблюдения ранних стадий этого процесса таким образом, как когда-то считалось невозможным при существующих технологиях.


Необычайные вспышки в космосе производят небесные тела, такие как нейтроны, или схлопнувшиеся звезды, называемые магнетарами (магнит + звезда), заключенные в экстремальных магнитных полях. Эти поля настолько сильны, что превращают космический вакуум в экзотическую плазму, состоящую из материи и антиматерии в виде пар отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных позитронов, согласно теории квантовой электродинамики (КЭД). Считается, что излучение этих пар ответственно за мощные быстрые радиовсплески.

Парная плазма

Плазма материи-антиматерии, называемая «парной плазмой», отличается от обычной плазмы, которая подпитывает термоядерные реакции и составляет 99% видимой Вселенной. Эта плазма состоит из материи только в форме электронов и атомных ядер или ионов с гораздо большей массой. Электрон-позитронная плазма состоит из одинаковых по массе, но противоположно заряженных частиц, которые подвержены аннигиляции и рождению. Такая плазма может проявлять совсем другое коллективное поведение.

«Наша лабораторная симуляция — это мелкомасштабный аналог среды магнитара», — сказал физик Кенан Ку из Принстонского отдела астрофизических наук. «Это позволяет нам анализировать парную плазму КЭД», — сказал Цюй, первый автор исследования, представленного в Физика плазмы как Scilight или научное достижение, а также первый автор статьи в Physical Review Letters, которую расширяет настоящая статья.

«Вместо того, чтобы имитировать сильное магнитное поле, мы используем сильный лазер», — сказал Цюй. «Он преобразует энергию в парную плазму через так называемые каскады КЭД. Парная плазма затем сдвигает лазерный импульс на более высокую частоту», — сказал он. «Впечатляющий результат демонстрирует перспективы создания и наблюдения парной плазмы КЭД в лабораториях и позволяет провести эксперименты для проверки теорий о быстрых радиовсплесках».

Лабораторные парные плазмы были созданы ранее, отметил физик Нат Фиш, профессор астрофизических наук в Принстонском университете и заместитель директора по академическим вопросам в PPPL, который является главным исследователем этого исследования. «И мы думаем, что знаем, какие законы управляют их коллективным поведением», — сказал Фиш. «Но пока мы не создадим парную плазму в лаборатории, демонстрирующую коллективные явления, которые мы сможем исследовать, мы не можем быть в этом абсолютно уверены.

Коллективное поведение

«Проблема в том, что общеизвестно, что коллективное поведение в парной плазме трудно наблюдать», — добавил он. «Таким образом, важным шагом для нас было подумать об этом как о совместной проблеме производства и наблюдения, признав, что отличный метод наблюдения ослабляет условия того, что должно быть произведено, и, в свою очередь, приводит нас к более практичному пользовательскому объекту».