Разкриване на объркващ експлозивен процес, който се случва в цялата вселена


Разкриване на объркващ експлозивен процес, който се случва в цялата вселена

Физикът Кенан Ку с изображения на бързо радиоизлъчване в две галактики. Горните и долните снимки вляво показват галактиките, като вдясно са показани цифрово подобрени снимки. Пунктираните овални линии маркират местата на избухване в галактиките. Кредит: Qu снимка от Elle Starkman; снимки на галактиката: НАСА; колаж от Киран Сударсанан.

Мистериозните бързи радиоизблици освобождават толкова енергия за една секунда, колкото Слънцето излива за една година и са сред най-озадачаващите явления във Вселената. Сега изследователи от Принстънския университет, лабораторията по физика на плазмата в Принстън (PPPL) на Министерството на енергетиката на САЩ и Националната ускорителна лаборатория SLAC симулираха и предложиха рентабилен експеримент за производство и наблюдение на ранните етапи на този процес по някакъв начин веднъж смята се за невъзможно със съществуващата технология.

Произвеждането на изключителни изблици в космоса са небесни тела като неутронни или колапсирани звезди, наречени магнетари (магнит + звезда), затворени в екстремни магнитни полета. Тези полета са толкова силни, че превръщат вакуума в космоса в екзотика плазма съставен от материя и антиматерия под формата на двойки отрицателно заредени електрони и положително заредени позитрони, според квантовата електродинамична (QED) теория. Смята се, че емисиите от тези двойки са отговорни за мощните бързи радиоизблици.

Сдвоена плазма

Плазмата материя-антиматерия, наречена “плазма на двойки”, е в контраст с обичайната плазма, която подхранва реакциите на синтез и съставлява 99% от видимата вселена. Тази плазма се състои от материя само под формата на електрони и атомни ядра с много по-голяма маса или йони. Електрон-позитронната плазма се състои от еднаква маса, но противоположно заредени частици, които подлежат на анихилация и създаване. Такива плазми могат да проявяват доста различно колективно поведение.

„Нашата лабораторна симулация е малък аналог на магнетарна среда“, каза физикът Кенан Ку от Принстънския департамент по астрофизични науки. “Това ни позволява да анализираме QED двойните плазми”, каза Ку, първият автор на изследване, показано в Физика на плазмата като Scilight или научен акцент, а също и първи автор на статия във Physical Review Letters, която настоящата статия разширява.

„Вместо да симулираме силно магнитно поле, ние използваме силен лазер“, каза Ку. “Той преобразува енергията в двойка плазма чрез така наречените QED каскади. Двойната плазма след това измества лазерния импулс към по-висока честота”, каза той. “Вълнуващият резултат демонстрира перспективите за създаване и наблюдение на QED двойка плазма в лаборатории и позволява на експерименти за проверка на теориите за бързи радиоизблици.”

Произведени в лаборатория двойки плазми са били създадени преди това, отбеляза физикът Нат Фиш, професор по астрофизични науки в Принстънския университет и асоцииран директор по академичните въпроси в PPPL, който служи като основен изследовател за това изследване. „И ние смятаме, че знаем какви закони управляват тяхното колективно поведение“, каза Фиш. „Но докато всъщност не произведем двойка плазма в лабораторията, която показва колективни явления, които можем да изследваме, не можем да бъдем абсолютно сигурни в това.

Колективно поведение

„Проблемът е, че колективното поведение в двойните плазми е изключително трудно за наблюдение“, добави той. „По този начин основната стъпка за нас беше да мислим за това като за съвместен проблем за наблюдение на производството, като признаем, че страхотен метод за наблюдение облекчава условията за това, което трябва да бъде произведено и от своя страна ни води до по-практично средство за потребителя.“

Уникалната симулация, която предлага статията, създава двойна плазма QED с висока плътност чрез сблъсък на лазера с плътен електронен лъч, пътуващ близо до скоростта на светлината. Този подход е рентабилен в сравнение с често предлагания метод за сблъскване на ултра-силни лазери за производство на QED каскади. Подходът също така забавя движението на плазмените частици, като по този начин позволява по-силни колективни ефекти.

„Нито един лазер не е достатъчно силен, за да постигне това днес и изграждането им може да струва милиарди долари“, каза Ку. “Нашият подход силно подкрепя използването на ускорител на електронен лъч и умерено силен лазер за постигане на QED двойка плазма. Изводът от нашето проучване е, че подкрепата на този подход може да спести много пари.”

В момента текат подготовка за тестване на симулацията с нов кръг от лазерни и електронни експерименти в SLAC. „В известен смисъл това, което правим тук, е отправната точка на каскадата, която произвежда радиоизблици“, каза Себастиан Меурен, изследовател на SLAC и бивш гостуващ сътрудник в Принстънския университет, който е съавтор на двете статии с Ку и Фиш.

Развиващ се експеримент

„Ако можехме да наблюдаваме нещо като радиоизлъчване в лабораторията, това би било изключително вълнуващо“, каза Меурен. „Но първата част е просто да наблюдаваме разсейването на електронните лъчи и след като го направим, ще подобрим интензитета на лазера, за да стигнем до по-високи плътности, за да видим действително двойките електрон-позитрон. Идеята е, че нашият експеримент ще се развие през следващите две години или нещо повече.”

Общата цел на това изследване е да се разбере как тела като магнетарите създават двойка плазма и каква нова физика, свързана с бързите радиоизблици, се създава, каза Ку. “Това са централните въпроси, които ни интересуват.”


Процес, водещ до експлозии на свръхнова и космически радиоизблици, открити в PPPL


Повече информация:
Kenan Qu et al, Колективни плазмени ефекти на двойки електрон-позитрон в каскади на QED, задвижвани от лъча, Физика на плазмата (2022 г.). DOI: 10.1063/5.0078969

Цитат: Разкриване на объркващ експлозивен процес, който се случва в цялата вселена (2022 г., 20 май), извлечен на 21 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-unraveling-perplexing-explosive-universe.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.