Физики нашли способ смоделировать зарождение быстрых радиовсплесков

Быстрые радиовсплески — одна из величайших космических загадок нашего времени. Это чрезвычайно мощные, но чрезвычайно короткие взрывы электромагнитного излучения в радиодиапазоне, высвобождающие за миллисекунды столько энергии, сколько 500 миллионов солнц.

В течение многих лет ученые ломали голову над тем, что может быть причиной этих коротких вспышек, обнаруженных в галактики от миллионов до миллиардов световых лет от нас. Затем, в апреле 2020 года, мы получили действительно сильную зацепку: короткую мощную вспышку радиоволн от чего-то внутри Млечного Пути — магнетара.

Это говорит о том, что по крайней мере некоторые быстрые радиовсплески производятся эти чрезвычайно намагниченные мертвые звезды. Теперь физики разработали способ воспроизвести в лаборатории то, что, как мы думаем, происходит на первых стадиях этих безумных взрывов, согласно теории квантовой электродинамики (КЭД).

«Наша лабораторная симуляция — это небольшая масштабный аналог среды магнитара», — говорит физик Кенан Ку из Принстонского университета. «Это позволяет нам анализировать плазму пар КЭД».

Магнетар — это тип мертвой звезды, называемый нейтронной звездой. Когда срок жизни массивной звезды подходит к концу, ее внешний материал сдувается, а ядро, больше не поддерживаемое внешним давлением ядерного синтеза, разрушается под действием собственной гравитации, образуя сверхплотный объект с мощным магнитным полем. . Это нейтронная звезда.

Некоторые нейтронные звезды обладают еще более мощным магнитным полем. Это магнетар. Мы не знаем, как им это удается, но их магнитные поля примерно в 1000 раз мощнее, чем у обычной нейтронной звезды, и в квадриллион раз мощнее, чем у Земли.

Ученые считают, что быстро радиовсплески являются результатом напряженности между магнитным полем, настолько сильным, что оно искажает форму магнетара, и внутренним давлением гравитации.

Считается, что магнитное поле также отвечает за преобразование материи в пространстве. вокруг магнитара в плазму, состоящую из пар материи-антиматерии. Эти пары состоят из отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного позитрона, и считается, что они играют роль в излучении редких быстрых радиовсплесков, которые повторяются.

Эта плазма называется парной плазмой, и она сильно отличается от большей части плазмы во Вселенной. Нормальная плазма состоит из электронов и более тяжелых ионов. Пары материи-антиматерии в парной плазме имеют равные массы и спонтанно образуются и аннигилируют друг друга. Коллективное поведение парной плазмы сильно отличается от поведения обычной плазмы.

Поскольку сила задействованных магнитных полей настолько велика, Ку и его коллеги разработали способ создания парной плазмы в лаборатории с помощью других средств. .

«Вместо того, чтобы имитировать сильное магнитное поле, мы используем сильный лазер, — объясняет Цюй.

«Он преобразует энергию в парную плазму посредством так называемых каскадов КЭД. Пара затем плазма смещает лазерный импульс на более высокую частоту. Этот захватывающий результат демонстрирует перспективы создания и наблюдения парной плазмы КЭД в лабораториях и позволяет проводить эксперименты для проверки теорий о быстрых радиовсплесках».

Метод включает в себя создание высокоскоростной электронный пучок, движущийся со скоростью, близкой к скорости света. По этому лучу стреляет лазер средней мощности, и в результате столкновения создается парная плазма.

Более того, он замедляет образовавшуюся плазму. Это могло бы решить одну из проблем, обнаруженных в предыдущих экспериментах по созданию парной плазмы, — наблюдение за их коллективным поведением.

«Мы думаем, что знаем, какие законы управляют их коллективным поведением. Но пока мы на самом деле не создадим парную плазму в лаборатории, демонстрирующей коллективные явления, которые мы можем исследовать, мы не можем быть в этом абсолютно уверены», — говорит физик Нат Фиш из Принстонского университета.

«Проблема в том, что коллективное поведение в парной плазме, как известно, трудно наблюдать. 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». p>

Эксперимент по наблюдению еще предстоит провести, но он предлагает способ проведения этих исследований, который раньше был невозможен. Это снижает потребность в чрезвычайно мощном оборудовании, которое может выходить за рамки наших технических возможностей и бюджета.

В настоящее время команда готовится проверить свои идеи с помощью серии экспериментов в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Они надеются, что это поможет им узнать, как магнетары генерируют парную плазму, как эта парная плазма может производить быстрые радиовсплески, и определить, какие ранее неизвестные физические явления могут быть задействованы.

«В некотором смысле, кто мы есть Это начало каскада радиовсплесков, — говорит физик Себастьян Мерен из Стэнфордского университета и SLAC. , Но первая часть состоит в том, чтобы просто наблюдать за рассеянием электронных лучей, и как только мы это сделаем, мы улучшим интенсивность лазера, чтобы достичь более высоких плотностей, чтобы действительно увидеть электрон-позитронные пары.Идея состоит в том, что наш эксперимент будет развиваться в течение следующих двух лет или около того.»

Таким образом, может пройти немного больше времени, пока мы не получим ответы на быстрые радиовсплески. Но если мы чему-то и научились за эти годы, так это тому, что разгадка этой увлекательной тайны определенно стоит ожидания.

Статья команды опубликована в журнале Physics of Plasmas..

р>