فیزیکدانان راهی برای شبیه سازی آغاز انفجارهای سریع رادیویی پیدا کرده اند

فشارهای رادیویی سریع یکی از بزرگ‌ترین انفجارهای کیهانی است. اسرار زمان ما آنها انفجارهای بسیار قدرتمند اما بسیار کوتاه تابش الکترومغناطیسی در طول موج های رادیویی هستند که در میلی ثانیه به اندازه ۵۰۰ میلیون خورشید انرژی تخلیه می کنند.

برای سال‌ها، دانشمندان در مورد اینکه چه چیزی می‌تواند باعث این فوران‌های کوتاه شود که در کهکشان‌هایی در فاصله میلیون‌ها تا میلیاردها سال نوری از ما شناسایی شده‌اند، متعجب بودند. سپس، در آوریل ۲۰۲۰، به یک برتری بسیار قوی رسیدیم: یک فلاش کوتاه و قدرتمند از امواج رادیویی از چیزی در داخل کهکشان راه شیری – یک مگنتار.

این نشان می‌دهد که حداقل برخی انفجارهای رادیویی سریع توسط این ستارگان مرده بسیار مغناطیسی تولید می‌شوند. اکنون، طبق نظریه الکترودینامیک کوانتومی (QED)، فیزیکدانان راهی را برای تکرار آنچه که ما فکر می‌کنیم در مراحل اولیه این انفجارهای دیوانه‌کننده در آزمایشگاه ابداع کرده‌اند.

“شبیه‌سازی آزمایشگاهی ما کوچک است. فیزیکدان کنان کومی‌گوید: «مقیاس آنالوگ یک محیط مغناطیسی» > از دانشگاه پرینستون “این به ما امکان می دهد پلاسماهای جفت QED را تجزیه و تحلیل کنیم.”

یک مگنتار نوعی ستاره مرده است که ستاره نوترونی نامیده می شود. وقتی یک ستاره پرجرم به پایان عمر خود می رسد، مواد بیرونی و هسته خود را که دیگر تحت فشار بیرونی همجوشی هسته ای، تحت گرانش خود فرو می ریزد و یک جسم فوق متراکم با یک میدان مغناطیسی قدرتمند تشکیل می دهد. این ستاره نوترونی است.

برخی از ستاره های نوترونی میدان مغناطیسی حتی قوی تری دارند. این یک مگنتار است. ما نمی دانیم که چگونه آنها به این راه می رسند، اما میدان مغناطیسی آنها تقریباً ۱۰۰۰ برابر قوی تر از یک ستاره نوترونی معمولی است و یک کوادریلیون برابر قدرتمندتر از زمین.

دانشمندان فکر می‌کنند که انفجارهای رادیویی سریع در نتیجه تنش بین میدان مغناطیسی است، به طوری که شکل مگنتار و میدان مغناطیسی را مخدوش می‌کند. فشار گرانش.

همچنین تصور می‌شود که میدان مغناطیسی مسئول تبدیل ماده در فضای اطراف مگنتار به پلاسمایی متشکل از ماده است-ضد ماده جفت. این جفت‌ها از یک الکترون با بار منفی و پوزیترون با بار مثبت تشکیل شده‌اند و تصور می‌شود که نقشی داشته باشند در انتشار انفجارهای سریع رادیویی نادر که تکرار.

این پلاسما یک جفت پلاسما نامیده می شود و با بیشتر پلاسمای کیهان بسیار متفاوت است. پلاسمای طبیعی از الکترون ها و یون های سنگین تر تشکیل شده است. جفت ماده و پادماده در پلاسما جفت دارای جرم مساوی هستند و خود به خود یکدیگر را تشکیل می دهند و از بین می برند. رفتار جمعی پلاسماهای جفتی بسیار متفاوت از پلاسماهای معمولی است.

از آنجایی که قدرت میدان های مغناطیسی درگیر بسیار زیاد است، کو و همکارانش راهی برای ایجاد جفت ابداع کردند. پلاسما در آزمایشگاه از طریق روش های دیگر.

“به جای شبیه سازی یک میدان مغناطیسی قوی، از لیزر قوی استفاده می کنیم.” Qu توضیح می دهد.

“این انرژی را از طریق آنچه که آبشار QED نامیده می شود به پلاسمای جفت تبدیل می کند. جفت پلاسما سپس لیزر را جابجا می کند. پالس به فرکانس بالاتر. نتیجه هیجان انگیز چشم انداز ایجاد و مشاهده پلاسمای جفت QED را در آزمایشگاه ها نشان می دهد و آزمایش ها را برای تأیید نظریه های انفجارهای رادیویی سریع نشان می دهد.”

این تکنیک شامل تولید یک پرتو الکترونی با سرعت بالا است. ، با سرعت نزدیک به نور حرکت می کند. یک لیزر نسبتاً قدرتمند به سمت این پرتو شلیک می‌شود و برخورد حاصله یک جفت پلاسما ایجاد می‌کند.

به‌علاوه، پلاسمای حاصل را کند می‌کند. این می‌تواند یکی از مشکلاتی را که در آزمایش‌های قبلی برای ایجاد پلاسماهای جفت یافت شده حل کند – مشاهده رفتار جمعی آنها.

“ما فکر می‌کنیم که می‌دانیم چه قوانینی بر رفتار جمعی آنها حاکم است. اما تا زمانی که واقعاً یک جفت پلاسما را در پلاسما تولید کنیم. آزمایشگاهی که پدیده‌های جمعی را نشان می‌دهد که ما می‌توانیم آنها را بررسی کنیم، نمی‌توانیم کاملاً از آن مطمئن باشیم،” نات فیش فیزیکدان از دانشگاه پرینستون می گوید.

“مشکل این است که مشاهده رفتار جمعی در پلاسماهای جفت بسیار سخت است. بنابراین، یک گام بزرگ است. برای ما این بود که این مسئله را به عنوان یک مشکل تولید-مشاهده مشترک در نظر بگیریم، با توجه به اینکه یک روش عالی مشاهده شرایط را در مورد آنچه باید تولید شود راحت می کند و به نوبه خود ما را به یک تسهیلات کاربردی تر کاربر هدایت می کند.”

آزمایش مشاهده هنوز انجام نشده است، اما راهی برای انجام این کاوشگرها ارائه می دهد که قبلاً ممکن نبوده است. این نیاز به تجهیزات بسیار قدرتمندی را که ممکن است فراتر از توانایی‌ها و بودجه‌های فنی ما باشد، کاهش می‌دهد.

این تیم در حال حاضر در حال آماده‌سازی برای آزمایش ایده‌های خود با مجموعه‌ای از آزمایش‌ها در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC هستند. آنها امیدوارند که این به آنها کمک کند تا یاد بگیرند که چگونه مگنتارها پلاسماهای جفتی تولید می کنند، چگونه این جفت پلاسماها ممکن است انفجارهای رادیویی سریع ایجاد کنند و هر چیزی که قبلاً ناشناخته فیزیک ممکن است در آن دخیل باشد را شناسایی کنند.

“به یک معنا ما چه هستیم. می گوید: «اینجا نقطه شروع آبشاری است که انفجارهای رادیویی تولید می کند. فیزیکدان سباستین مورن از دانشگاه استنفورد و SLAC.

“اگر بتوانیم چیزی شبیه انفجار رادیویی را در آزمایشگاه مشاهده کنیم، بسیار هیجان انگیز خواهد بود. اما بخش اول فقط مشاهده پراکندگی پرتوهای الکترونی، و زمانی که این کار را انجام دادیم، شدت لیزر را بهبود می‌دهیم تا به چگالی‌های بالاتر برسیم تا در واقع جفت‌های الکترون-پوزیترون را ببینیم. ایده این است که آزمایش ما در حدود دو سال آینده تکامل خواهد یافت.”

بنابراین ممکن است کمی بیشتر طول بکشد تا پاسخ‌هایمان را در فوران سریع رادیویی دریافت کنیم. اما اگر در طول سال‌ها چیزی یاد گرفته‌ایم، این است که کشف این راز جذاب قطعا ارزش انتظار را دارد.

مقاله این تیم در فیزیک پلاسما.