Die Wissenschaft von Schwarzen Löchern und Gammastrahlenausbrüchen mit Hochleistungslasern beleuchten

Hochleistungslaser erzeugen jetzt eine Rekordzahl von Elektron-Positron-Paaren und eröffnen aufregende Möglichkeiten, extreme astrophysikalische Prozesse wie Schwarze Löcher und Gammastrahlenausbrüche zu untersuchen.

Positronen oder „Antielektronen“ sind Antiteilchen mit der gleichen Masse wie ein Elektron, aber mit entgegengesetzter Ladung. Die Erzeugung energiereicher Elektron-Positron-Paare ist in extremen astrophysikalischen Umgebungen üblich, die mit dem schnellen Kollaps von Sternen und der Bildung von Schwarzen Löchern verbunden sind. Diese Paare strahlen schließlich ihre Energie ab und erzeugen extrem helle Ausbrüche von Gammastrahlen.

Gammastrahlenausbrüche (GRBs) sind die hellsten bekannten elektromagnetischen Ereignisse im Universum und können zwischen zehn Millisekunden und mehreren Minuten dauern. Der Mechanismus, wie diese GRBs produziert werden, ist immer noch ein Rätsel.

Hier kommen Hochleistungslaser ins Spiel. Im Labor lassen sich Jets aus Elektron-Positron-Paaren erzeugen, indem intensives Laserlicht in eine Goldfolie gestrahlt wird. Die Wechselwirkung erzeugt hochenergetische Strahlung, die das Material durchquert und Elektron-Positron-Paare erzeugt, wenn sie auf ihrem Weg mit den Kernen der Goldatome wechselwirkt.

Ein neuer Überblick über die aktuellen Durchbrüche bei der Erzeugung von Elektron-Positron-Plasma, seine wichtigsten Herausforderungen und die Zukunft des Feldes, verfasst von Hui Chen, Physiker des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und Frederico Fiuza, Wissenschaftler des SLAC National Accelerator Laboratory, erscheint in Physik der Plasmen.

„Die Fähigkeit, relativistische Paarplasmen im Labor zu erzeugen, bietet eine einzigartige Gelegenheit, unser Verständnis dieser exotischen Plasmaregime zu erweitern und aktuelle theoretische Modelle und numerische Simulationen der Rolle, die diese Plasmaprozesse in astrophysikalischen Umgebungen spielen, zu vergleichen“, sagte Chen.

Elektron-Positron-Paar-Plasmen sind in hochenergetischen astrophysikalischen Systemen reichlich vorhanden, wie sie beispielsweise in Umgebungen mit Neutronensternen und Schwarzen Löchern auftreten. Die Wechselwirkungen von Photonen untereinander und mit starken Magnetfeldern führen über elektromagnetische Kaskaden zu einer fruchtbaren Paarbildung. Diese Paarplasmen sind typischerweise heiß und können in den Winden oder Jets, die mit diesen kompakten astrophysikalischen Objekten verbunden sind, einschließlich Pulsar-Magnetosphären, Jets aus aktiven galaktischen Kernen und GRBs, auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden.

„Trotz erheblicher Fortschritte bei theoretischen und numerischen Studien relativistischer Paarplasmen ist unser Verständnis der Plasmadynamik in diesen exotischen, aber ziemlich wichtigen Regimen immer noch begrenzt“, sagte Fiuza. „Das grundlegende Interesse und die astrophysikalische Bedeutung relativistischer Paarplasmen haben die Bemühungen motiviert, sie im Labor herzustellen und zu untersuchen.“

Mit immer energiereicheren Lasern produzierten die Forscher von Lawrence Livermore im Jahr 2015 eine Rekordzahl von Elektron-Positron-Paaren und brachen damit einen früheren Rekord aus früheren Experimenten am Titan-Laser des LLNL im Jahr 2008, als Chens Team Milliarden von Positronen erzeugt hatte.

Chen und Fiuza sagten, dass zwar die gesamte Palette der Bedingungen, die mit kompakten astrophysikalischen Objekten verbunden sind, in terrestrischen Labors unerreichbar ist, die Entwicklung experimenteller Plattformen jedoch einen erheblichen Wert hat, die Studien der grundlegenden kollektiven Prozesse ermöglichen würden, die mit Paarplasmen in einer kontrollierten Umgebung verbunden sind.

In den letzten zehn Jahren haben außergewöhnliche Entdeckungen im Zusammenhang mit extremen astrophysikalischen Plasmen Wissenschaftler und die Öffentlichkeit gleichermaßen begeistert – von den ersten Bildern des Plasmas, das ein Schwarzes Loch umkreist, bis hin zu hochenergetischer kosmischer Strahlung und Strahlung, die von relativistischen Jets und Gammastrahlenausbrüchen erzeugt wird schnelle Radioblitze von galaktischen Neutronensternen. Es ist seit langem bekannt, dass die Plasmen in den Kernen dieser extremen Umgebungen relativistisch und oft von Elektron-Positron-Paaren dominiert sind.

In der Übersicht präsentierten Chen und Fiuza ihre Perspektiven für zukünftige experimentelle Studien zu diesem Grenzthema. Sie diskutierten die Möglichkeit, relativistische Paarplasmen zu erzeugen, und die Untersuchung ihrer kollektiven Modi über einen weiten Bereich von Bedingungen. Sie befassten sich auch mit den Aussichten für die Untersuchung von Strömungsinstabilitäten im Zusammenhang mit der Ausbreitung relativistischer Paarstrahlen auf umgebenden Elektron-Proton-Plasmen.

„Dies ist ein sich schnell entwickelndes Gebiet, motiviert durch aufregende Beobachtungsentdeckungen, theoretische und rechnerische Entwicklungen und technologische Fortschritte bei Lichtquellen und Diagnostik, die die Grenzen unseres Verständnisses relativistischer Paarplasmen erweitern“, sagte Chen.

Chen und Fiuza hoffen, dass ihre Arbeit eine nützliche Ressource darstellen kann, die jungen Wissenschaftlern, die in das Feld eintreten, und der Gemeinschaft im Allgemeinen einen zusätzlichen Anreiz für die bevorstehenden Entwicklungen bietet.