科学家揭开神秘的爆炸性射电暴的起源

摘要:

科学家们模拟了整个宇宙中发生的一个令人困惑的爆炸过程。神秘的快速射电暴是宇宙中最令人困惑的现象之一,它在一秒钟内释放的能量相当于太阳一年的能量。普林斯顿大学、美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和SLAC国家加速器实验室的研究人员现在已经模拟并提出了一个具有成本效益的实验,以产生和观察这一过程的早期阶段,而这在以前被认为是在今天的技术中是不可能的。

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天体,如中子,或塌陷的恒星,被称为magnetars(磁星),封闭在强磁场中,呈现了空间中清晰的磁暴。根据量子电动力学(QED)理论,这些磁场是如此强烈,以至于它们将空间中的真空转化为由物质和反物质组成的奇异等离子体,其形式是带负电的电子和带正电的正电子对。这些对的发射被认为是造成强大的快速射电暴的原因。

成对的等离子体

被称为"对子等离子体"的物质-反物质等离子体与通常的等离子体形成对比,后者为核聚变反应提供燃料,并构成了99%的可见宇宙。这种等离子体仅由电子和质量大得多的原子核或离子形式的物质组成。电子-正电子等离子体由质量相等但带电相反的粒子组成,这些粒子会被湮灭和创造。这样的等离子体可以表现出相当不同的集体行为。

普林斯顿大学天体物理系的物理学家Kenan Qu说:"我们的实验室模拟是一个小规模的磁星环境的模拟。这使我们能够分析QED对等离子体。"他是最近在《等离子体物理学》上作为科学亮点展示的一项研究的第一作者,也是《物理评论快报》上一篇论文的第一作者,本文对该论文进行了阐述。

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物理学家Kenan Qu与两个星系中快速射电暴的图像。左边的顶部和底部的照片显示的是星系,右边是数字增强的照片。点状的椭圆线标志着星系中的爆发位置。

"我们不是模拟一个强磁场,而是使用一个强激光,"Qu说。"它通过所谓的QED级联将能量转换为对等离子体。然后对等离子体将激光脉冲转移到一个更高的频率,这个令人兴奋的结果展示了在实验室中创造和观察QED对等离子体的前景,并使实验能够验证关于快速射电暴的理论。"

普林斯顿大学天体物理科学教授、PPPL学术事务副主任、担任这项研究的主要研究者的物理学家Nat Fisch指出,实验室生产的对等离子体此前已经被创造出来。"而且我们认为我们知道什么规律支配着它们的集体行为。但是,直到我们在实验室中实际产生一个对等离子体,表现出我们可以探测的集体现象,我们就不能绝对肯定这一点。

集体行为

他补充说:"问题是成对等离子体的集体行为是众所周知的难以观察。我们的一个重要步骤是将其视为一个联合生产-观察问题,认识到一个伟大的观察方法放宽了必须生产的条件,并反过来将我们引向一个更实用的设施。"

论文提出的独特模拟通过将激光与接近光速的密集电子束碰撞,创造出高密度的QED对等离子体。与通常提出的碰撞超强激光器以产生QED级联的方法相比,这种方法是具有成本效益的。该方法还减缓了等离子体粒子的运动,从而允许更强的集体效应。

Qu说:"今天没有足够强的激光器来实现这一点,而且建造它们可能需要花费数十亿美元。我们的方法强烈支持使用一个电子束加速器和一个中等强度的激光器来实现QED对等离子体。我们的研究的含义是,支持这种方法可以节省大量的资金。"

"目前正在准备用SLAC的新一轮激光和电子实验来测试该模拟。"SLAC研究员、普林斯顿大学前博士后访问学者Sebastian Meuren说:"在某种意义上,我们在这里做的是产生射电暴的级联的起点。"

不断发展的实验

Meuren说:"如果我们能在实验室里观察到类似射电暴的现象,那将是非常令人兴奋的。但是第一部分只是观察电子束的散射,一旦我们做到这一点,我们将提高激光强度,以达到更高的密度,从而真正看到电子-正电子对。我们的想法是实验将在未来两年左右的时间里不断发展。"

这项研究的总体目标是了解像磁星这样的天体如何创造对等离子体,以及与快速射电暴相关的新物理学带来了什么,这项联合工作得到了美国国家核安全局(NNSA)通过天体物理科学系授予普林斯顿大学的拨款和能源部授予斯坦福大学的拨款的支持。

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