Raske radioutbrudd er et av vår tids største kosmiske mysterier. De er ekstremt kraftige, men ekstremt korte eksplosjoner av elektromagnetisk stråling i radiobølgelengder, som utlades i millisekunder så mye energi som 500 millioner soler.
I årevis har forskere undret seg over hva som kan være årsaken til disse korte utbruddene, oppdaget i galakser millioner til milliarder av lysår unna. Så, i april 2020, fikk vi en virkelig sterk ledelse: et kort, kraftig glimt av radiobølger fra noe inne i Melkeveien – en magnetar.
Dette antyder at i det minste noen raske radioutbrudd produseres av disse ekstremt magnetiserte døde stjernene. Nå har fysikere utviklet en måte å gjenskape i et laboratorium det vi tror skjer i de første stadiene av disse vanvittige eksplosjonene, ifølge teorien om kvanteelektrodynamikk (QED).
“Laboratoriesimuleringen vår er en liten skala analog av et magnetarmiljø,” sier fysiker Kenan Qu ved Princeton University. “Dette lar oss analysere QED-parplasmaer.”
En magnetar er en type død stjerne som kalles en nøytronstjerne. Når en massiv stjerne når slutten av sin levetid, blåser den av det ytre materialet, og kjernen, som ikke lenger støttes av det ytre trykket fra kjernefysisk fusjon, kollapser under sin egen tyngdekraft for å danne et ultratett objekt med et kraftig magnetfelt. Det er nøytronstjernen.
Noen nøytronstjerner har et enda kraftigere magnetfelt. Det er en magnetar. Vi vet ikke hvordan de kommer på denne måten, men magnetfeltene deres er et sted rundt 1000 ganger kraftigere enn de til en vanlig nøytronstjerne, og en kvadrillioner ganger kraftigere enn jordens.
Forskere tror at raske radioutbrudd er et resultat av spenningen mellom magnetfeltet, så kraftig at det forvrenger magnetarens form, og tyngdekraftens indre trykk.
Magnetfeltet antas også å være ansvarlig for å transformere materien i rommet rundt magnetaren til et plasma bestående av materie-antimaterie par. Disse parene består av et negativt ladet elektron og positivt ladet positron, og det er de tenkte å spille en rolle i utslippet av de sjeldne raske radioutbruddene som gjentar seg.
Dette plasmaet kalles et parplasma, og det er veldig forskjellig fra det meste av plasmaet i universet. Normalt plasma består av elektroner og tyngre ioner. Materie-antimaterie-parene i parplasma har like masse og danner og tilintetgjør hverandre spontant. Parplasmas kollektive oppførsel er veldig forskjellig fra normale plasmaer.
Fordi styrken til de involverte magnetiske feltene er så ekstrem, utviklet Qu og hans kolleger en måte å lage parplasmaer i et laboratorium på på andre måter.
“I stedet for å simulere et sterkt magnetfelt, bruker vi en sterk laser,” Hva forklarer.
“Den konverterer energi til parplasma gjennom det som kalles QED-kaskader. Parplasmaet forskyver deretter laserpulsen til en høyere frekvens. Det spennende resultatet demonstrerer mulighetene for å lage og observere QED-parplasma i laboratorier og muliggjøre eksperimenter for å verifisere teorier om hurtig radioutbrudd.”
Teknikken innebærer å generere en høyhastighets elektronstråle som beveger seg nær lysets hastighet. En moderat kraftig laser skytes mot denne strålen, og den resulterende kollisjonen skaper et parplasma.
Dessuten bremser det det resulterende plasmaet. Dette kan løse et av problemene som ble funnet med tidligere eksperimenter for å lage parplasmaer – å observere deres kollektive oppførsel.
“Vi tror vi vet hvilke lover som styrer deres kollektive oppførsel. Men før vi faktisk produserer et par plasma i laboratoriet som viser kollektive fenomener som vi kan undersøke, kan vi ikke være helt sikre på det.” sier fysiker Nat Fisch ved Princeton University.
“Problemet er at kollektiv atferd i parplasma er notorisk vanskelig å observere. Derfor var et stort skritt for oss å tenke på dette som et felles produksjons-observasjonsproblem, og erkjenner at en flott metode for observasjon slapper av betingelsene for hva som må være produsert og igjen fører oss til et mer praktisk brukeranlegg.”
Observasjonseksperimentet er ennå ikke utført, men det tilbyr en måte å utføre disse sonder som ikke har vært mulig før. Det reduserer behovet for ekstremt kraftig utstyr som kan være utenfor våre tekniske muligheter og budsjetter.
Teamet forbereder seg for tiden på å teste ideene sine med en serie eksperimenter ved SLAC National Accelerator Laboratory. Dette, håper de, vil hjelpe dem å lære hvordan magnetarer genererer parplasmaer, hvordan disse parplasmaene kan produsere raske radioutbrudd, og å identifisere hva tidligere ukjent fysikk kan være involvert.
“På en måte er det vi gjør her startpunktet for kaskaden som produserer radioutbrudd,” sier fysiker Sebastian Meuren fra Stanford University og SLAC.
“Hvis vi kunne observere noe sånt som et radioutbrudd i laboratoriet, ville det vært ekstremt spennende. Men den første delen er bare å observere spredningen av elektronstrålene, og når vi først gjør det, vil vi forbedre laserintensiteten for å komme til høyere tettheter for å faktisk se elektron-positron-parene. Tanken er at eksperimentet vårt vil utvikle seg i løpet av de neste to årene eller så.”
Så det kan ta litt lengre tid før vi får svarene våre på raske radioutbrudd. Men hvis vi har lært noe i løpet av årene, er det at oppklaringen av dette fascinerende mysteriet definitivt er verdt ventetiden.
Lagets papir er publisert i Plasmas fysikk.