Kunstnerens indtryk af en magnetar. (Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF) Hurtige radioudbrud er et af vor tids største kosmiske mysterier. De er ekstremt kraftige, men ekstremt korte eksplosioner af elektromagnetisk stråling i radiobølgelængder, der aflades i millisekunder så meget energi som 500 millioner sole.
I årevis har videnskabsmænd undret sig over, hvad der kunne være årsagen til disse korte udbrud, opdaget i galakser millioner til milliarder af lysår væk. Så, i april 2020,vi fik et rigtig stærkt forspring: et kort, kraftigt glimt af radiobølger fra noget inde i Mælkevejen - en magnetar.
Dette tyder på, at i det mindste nogle hurtige radioudbrud produceres af disse ekstremt magnetiserede døde stjerner. Nu har fysikere udtænkt en måde at replikere i et laboratorium, hvad vi tror sker i de første stadier af disse vanvittige eksplosioner, ifølge teorien om kvanteelektrodynamik (QED).
'Vores laboratoriesimulering er en analog af et magnetarmiljø i lille skala,' siger fysiker Kenan Qu fra Princeton University. 'Dette giver os mulighed for at analysere QED-parplasmaer.'
En magnetar er en type død stjerne kaldet a neutronstjerne . Når en massiv stjerne når slutningen af sin levetid, blæser den sit ydre materiale af, og kernen understøttes ikke længere af det ydre tryk fra kernefusion , kollapser under sin egen tyngdekraft for at danne et ultratæt objekt med et kraftigt magnetfelt. Det er neutronstjernen.
Nogle neutronstjerner har et endnu kraftigere magnetfelt. Det er en magnetar. Vi ved ikke, hvordan de kommer på denne måde, men deres magnetfelter er et sted omkring 1.000 gange kraftigere end en normal neutronstjernes, og en kvadrillion gange stærkere end Jordens.
Forskere tror, at hurtige radioudbrud er et resultat af spændingen mellem magnetfeltet, så kraftigt, at det forvrænger magnetarens form og tyngdekraftens indadgående tryk.
Magnetfeltet menes også at være ansvarligt for at omdanne stoffet i rummet omkring magnetaren til et plasma bestående af stof- antistof par. Disse par består af en negativt ladet elektron og positivt ladet positron, og det er de menes at spille en rolle i emissionen afsjældne hurtige radioudbrudatgentage.
Dette plasma kaldes et parplasma, og det er meget anderledes end det meste af plasmaet i universet. Normalt plasma består af elektroner og tungere ioner. Materie-antistof-parrene i parplasma har lige store masser og danner og tilintetgør spontant hinanden. Parplasmas kollektive adfærd er meget forskellig fra normale plasmaers.
Fordi styrken af de involverede magnetiske felter er så ekstrem, udtænkte Qu og hans kolleger en måde at skabe parplasmaer i et laboratorium på på andre måder.
'I stedet for at simulere et stærkt magnetfelt, bruger vi en stærk laser,' Hvad forklarer .
'Det omdanner energi til parplasma gennem det, der kaldes QED-kaskader. Plasmaparret skifter derefter laserpulsen til en højere frekvens. Det spændende resultat demonstrerer mulighederne for at skabe og observere QED-parplasma i laboratorier og gøre det muligt for eksperimenter at verificere teorier om hurtige radioudbrud.'
Teknikken involverer generering af en højhastigheds elektronstråle, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. En moderat kraftig laser affyres mod denne stråle, og den resulterende kollision skaber et par plasma.
Desuden sænker det det resulterende plasma. Dette kunne løse et af problemerne fundet med tidligere eksperimenter for at skabe parplasmaer - observere deres kollektive adfærd.
'Vi tror, vi ved, hvilke love der styrer deres kollektive adfærd. Men indtil vi rent faktisk producerer et par plasma i laboratoriet, der udviser kollektive fænomener, som vi kan undersøge, kan vi ikke være helt sikre på det,' siger fysiker Nat Fisch fra Princeton University.
'Problemet er, at kollektiv adfærd i parplasmaer er notorisk svær at observere. Et vigtigt skridt for os var således at tænke på dette som et fælles produktions-observationsproblem, idet vi erkendte, at en fantastisk metode til observation slækker på betingelserne for, hvad der skal produceres og igen fører os til en mere praktisk brugerfacilitet.'
Observationseksperimentet er endnu ikke udført, men det tilbyder en måde at udføre disse sonder, som ikke har været mulig før. Det reducerer behovet for ekstremt kraftfuldt udstyr, der kan være ud over vores tekniske muligheder og budgetter.
Holdet forbereder sig i øjeblikket på at teste deres ideer med en række eksperimenter på SLAC National Accelerator Laboratory. Dette, håber de, vil hjælpe dem med at lære, hvordan magnetarer genererer parplasmaer, hvordan disse parplasmaer kan producere hurtige radioudbrud, og at identificere, hvad tidligere ukendt fysik måtte være involveret.
'På en måde er det, vi gør her, udgangspunktet for den kaskade, der producerer radioudbrud,' siger fysiker Sebastian Meuren fra Stanford University og SLAC.
'Hvis vi kunne observere noget som et radioudbrud i laboratoriet, ville det være ekstremt spændende. Men den første del er bare at observere spredningen af elektronstrålerne, og når vi gør det, vil vi forbedre laserintensiteten for at komme til højere tætheder for rent faktisk at se elektron-positron-parrene. Tanken er, at vores eksperiment vil udvikle sig i løbet af de næste to år eller deromkring.'
Så der går måske lidt længere, før vi får vores svar på hurtige radioudbrud. Men hvis vi har lært noget i årenes løb, så er det, at optrævlingen af dette fascinerende mysterium bestemt er ventetiden værd.
Holdets papir er blevet offentliggjort i Plasmas fysik .