|
Таинственные быстрые радиовсплески
|
|
|
|
Таинственные быстрые радиовсплески выделяют столько энергии за одну секунду, сколько Солнце излучает за год, и являются одними из самых загадочных явлений во Вселенной. 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.
|
|
|
|
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. Электронно-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 журнале Physics of Plasmas as Scilight, или научного известия, а также первый автор статьи в Physical Review Letters, которой посвящена 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.
|
|
|
|
«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». Предлагаемая в статье уникальная симуляция создает парную плазму КЭД высокой плотности путем столкновения лазера с плотным электронным пучком, движущимся со скоростью, близкой к скорости света. Этот подход экономически эффективен по сравнению с обычно предлагаемым методом столкновения сверхмощных лазеров для создания каскадов КЭД. Этот подход также замедляет движение частиц плазмы, тем самым обеспечивая более сильные коллективные эффекты.
|
|
|
|
«Сегодня нет достаточно мощных лазеров, и их создание может стоить миллиарды долларов», — сказал Цюй. «Наш подход решительно поддерживает использование ускорителя электронного луча и умеренно мощного лазера для получения парной плазмы КЭД. Смысл нашего исследования в том, что поддержка этого подхода может сэкономить много денег». В настоящее время идет подготовка к тестированию моделирования с новым этапом лазерных и электронных экспериментов в SLAC. «В некотором смысле то, что мы здесь делаем, является отправной точкой каскада, который производит радиовсплески», — сказал Себастьян Мерен, исследователь SLAC и бывший приглашенный научный сотрудник Принстонского университета, который был соавтором двух статей с Ку и Фишем.
|
|
|
|
«Если бы мы могли наблюдать что-то вроде радиовсплеска в лаборатории, это было бы очень интересно», — сказал Мерен. «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 ближайшие два года или около того». По словам Цюя, общая цель этого исследования — понять, как такие тела, как магнетары, создают парную плазму и какие новые физические явления связаны с быстрыми радиовсплесками. «Это основные вопросы, которые нас интересуют».
|
|
|
|
Источник
|
