Entwirren eines verwirrenden explosiven Prozesses, der im gesamten Universum stattfindet

Mysteriöse schnelle Funkstöße setzen in einer Sekunde so viel Energie frei wie die Sonne in einem Jahr ausströmt und gehören zu den rätselhaftesten Phänomenen im Universum. Jetzt haben Forscher der Princeton University, des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) und des SLAC National Accelerator Laboratory ein kostengünstiges Experiment simuliert und vorgeschlagen, um die frühen Stadien dieses Prozesses auf eine Art und Weise einmal zu erzeugen und zu beobachten mit der bestehenden Technik für unmöglich gehalten.

Die außergewöhnlichen Explosionen im Weltraum werden von Himmelskörpern wie Neutronen oder kollabierten Sternen, den so genannten Magnetaren (Magnet + Stern), erzeugt, die in extremen Magnetfeldern eingeschlossen sind. Diese Felder sind so stark, dass sie das Vakuum im Weltraum in ein exotisches Plasma verwandeln, das gemäß der Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) aus Materie und Antimaterie in Form von Paaren aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Positronen besteht. Es wird angenommen, dass die Emissionen dieser Paare für die starken schnellen Funkstöße verantwortlich sind.

Plasma koppeln

Das Materie-Antimaterie-Plasma, „Paarplasma“ genannt, steht im Gegensatz zum üblichen Plasma, das Fusionsreaktionen antreibt und 99 % des sichtbaren Universums ausmacht. Dieses Plasma besteht nur aus Materie in Form von Elektronen und weitaus massereicheren Atomkernen oder Ionen. Die Elektron-Positron-Plasmen bestehen aus Teilchen gleicher Masse, aber entgegengesetzt geladener Teilchen, die der Vernichtung und Erzeugung unterliegen. Solche Plasmen können ganz unterschiedliches kollektives Verhalten zeigen.

„Unsere Laborsimulation ist ein kleines Analogon einer Magnetarumgebung“, sagte der Physiker Kenan Qu vom Princeton Department of Astrophysical Sciences. „Dies ermöglicht uns, QED-Paarplasmen zu analysieren“, sagte Qu, Erstautor einer Studie, die in vorgestellt wird Physik der Plasmen als Scilight oder wissenschaftliches Highlight und auch Erstautor eines Artikels in Physical Review Letters, auf dem der vorliegende Artikel aufbaut.

„Anstatt ein starkes Magnetfeld zu simulieren, verwenden wir einen starken Laser“, sagte Qu. „Es wandelt Energie durch sogenannte QED-Kaskaden in Paarplasma um. Das Paarplasma verschiebt dann den Laserpuls auf eine höhere Frequenz“, sagte er. „Das aufregende Ergebnis demonstriert die Aussichten für die Erzeugung und Beobachtung von QED-Plasmapaaren in Labors und die Ermöglichung von Experimenten zur Überprüfung von Theorien über schnelle Funkstöße.“

Im Labor hergestellte Paarplasmen wurden bereits früher hergestellt, bemerkte der Physiker Nat Fisch, Professor für astrophysikalische Wissenschaften an der Princeton University und stellvertretender Direktor für akademische Angelegenheiten am PPPL, der als Hauptforscher für diese Forschung fungiert. „Und wir glauben zu wissen, welche Gesetze ihr kollektives Verhalten bestimmen“, sagte Fisch. „Aber bis wir im Labor tatsächlich ein Paarplasma herstellen, das kollektive Phänomene aufweist, die wir untersuchen können, können wir uns dessen nicht absolut sicher sein.

Kollektives Verhalten

„Das Problem ist, dass kollektives Verhalten in Paarplasmen notorisch schwer zu beobachten ist“, fügte er hinzu. „Daher war es ein wichtiger Schritt für uns, dies als ein gemeinsames Produktions-Beobachtungs-Problem zu betrachten und zu erkennen, dass eine großartige Beobachtungsmethode die Bedingungen für das, was produziert werden muss, lockert und uns wiederum zu einer praktikableren Benutzereinrichtung führt.“

Die einzigartige Simulation, die das Papier vorschlägt, erzeugt ein hochdichtes QED-Paar-Plasma, indem der Laser mit einem dichten Elektronenstrahl kollidiert, der sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Dieser Ansatz ist kosteneffizient im Vergleich zu der allgemein vorgeschlagenen Methode, ultrastarke Laser zu kollidieren, um die QED-Kaskaden zu erzeugen. Der Ansatz verlangsamt auch die Bewegung von Plasmapartikeln und ermöglicht dadurch stärkere kollektive Effekte.

„Kein Laser ist heute stark genug, um dies zu erreichen, und der Bau könnte Milliarden von Dollar kosten“, sagte Qu. „Unser Ansatz unterstützt nachdrücklich die Verwendung eines Elektronenstrahlbeschleunigers und eines mäßig starken Lasers, um ein QED-Paarplasma zu erreichen. Die Implikation unserer Studie ist, dass die Unterstützung dieses Ansatzes viel Geld sparen könnte.“

Derzeit laufen Vorbereitungen zum Testen der Simulation mit einer neuen Runde von Laser- und Elektronenexperimenten am SLAC. „In gewisser Weise ist das, was wir hier tun, der Ausgangspunkt der Kaskade, die Funkstöße erzeugt“, sagte Sebastian Meuren, ein SLAC-Forscher und ehemaliger Postdoktorand an der Princeton University, der die beiden Artikel zusammen mit Qu und Fisch verfasst hat.

Sich entwickelndes Experiment

„Wenn wir im Labor so etwas wie einen Radioburst beobachten könnten, wäre das extrem spannend“, sagt Meuren. „Aber der erste Teil besteht nur darin, die Streuung der Elektronenstrahlen zu beobachten, und sobald wir das getan haben, werden wir die Laserintensität verbessern, um höhere Dichten zu erreichen, um die Elektron-Positron-Paare tatsächlich zu sehen. Die Idee ist, dass sich unser Experiment weiterentwickelt die nächsten zwei Jahre oder so.“

Das übergeordnete Ziel dieser Forschung ist es zu verstehen, wie Körper wie Magnetare Paarplasma erzeugen und welche neue Physik im Zusammenhang mit schnellen Funkstößen zustande kommt, sagte Qu. „Das sind die zentralen Fragen, die uns interessieren.“