Araştırmacılar, bu sürecin erken aşamalarını, daha önce mevcut teknolojiyle ulaşılamaz olduğu düşünülen şekillerde üretmek ve incelemek için düşük maliyetli bir deneyi simüle etti ve sundu.
Bilim adamları, evrende meydana gelen şaşırtıcı bir patlayıcı süreci simüle ediyor.
Gizemli hızlı radyo patlamaları, evrendeki en kafa karıştırıcı fenomenler arasında yer alır ve bir saniyede Güneş’in bir yılda yaptığı kadar enerjiyi serbest bırakır. Princeton Üniversitesi, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı (PPPL) ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, bu sürecin erken aşamalarını bir şekilde üretmek ve gözlemlemek için şimdi uygun maliyetli bir deneyi simüle etti ve önerdi. daha önce günümüz teknolojisiyle imkansız olduğu düşünülüyordu.
Nötron gibi gök cisimleri veya çökmüş, magnetar (mıknatıs + yıldız) olarak adlandırılan yıldızlar, güçlü manyetik alanlar içine alınmış, uzaydaki olağanüstü patlamalardan sorumludur. Kuantum elektrodinamik (QED) teorisine göre, bu alanlar o kadar yoğundur ki uzaydaki boşluğu egzotik hale dönüştürürler. plazma negatif yüklü elektron ve pozitif yüklü pozitron çiftleri şeklinde madde ve anti-maddeden yapılmıştır. Bu çiftlerden kaynaklanan emisyonların, güçlü hızlı radyo patlamalarından sorumlu olduğu düşünülüyor.
çift plazma
“Çift plazma” olarak adlandırılan madde-antimadde plazması, füzyon reaksiyonlarını besleyen ve görünür evrenin %99’unu oluşturan olağan plazmanın aksine duruyor. Bu plazma, yalnızca elektronlar ve çok daha yüksek kütleli atom çekirdekleri veya iyonlar biçimindeki maddeden oluşur. Elektron-pozitron plazmaları, yok olmaya ve yaratmaya tabi olan eşit kütleli fakat zıt yüklü parçacıklardan oluşur. Bu tür plazmalar oldukça farklı toplu davranış sergileyebilir.
Princeton Astrofizik Bilimler Bölümü’nden fizikçi Kenan Qu, “Laboratuvar simülasyonumuz bir magnetar ortamının küçük ölçekli bir analoğudur” dedi. “Bu, QED çift plazmalarını analiz etmemize izin veriyor,” dedi Qu, yakın zamanda sergilenen bir çalışmanın ilk yazarı. Plazma Fiziği bir bilim vurgusu ve aynı zamanda bir makalenin ilk yazarı olarak Fiziksel İnceleme Mektupları bu makalenin genişlediği.
Fizikçi Kenan Qu, iki galakside hızlı radyo patlaması görüntüleri ile. Soldaki üst ve alt fotoğraflar, sağda gösterilen dijital olarak geliştirilmiş fotoğraflarla birlikte galaksileri gösterir. Noktalı oval çizgiler, galaksilerdeki patlama konumlarını işaretler. Kredi: Elle Starkman’ın Qu fotoğrafı; galaksi fotoğrafları NASA’nın izniyle; Kiran Sudarsanan’ın kolajı.)
Qu, “Güçlü bir manyetik alanı simüle etmek yerine güçlü bir lazer kullanıyoruz” dedi. “QED kaskadları olarak adlandırılanlar aracılığıyla enerjiyi çift plazmaya dönüştürür. Çift plazma daha sonra lazer darbesini daha yüksek bir frekansa kaydırır” dedi. “Heyecan verici sonuç, laboratuvarlarda QED çifti plazma oluşturma ve gözlemleme ve hızlı radyo patlamaları hakkındaki teorileri doğrulamak için deneylere olanak sağlama olasılığını gösteriyor.”
Astrofizik bilimleri profesörü olan fizikçi Nat Fisch, laboratuvarda üretilen çift plazmaların daha önce yaratıldığını belirtti. Princeton Üniversitesi ve akademik işlerden sorumlu müdür yardımcısı PPPL Bu araştırma için baş araştırmacı olarak görev yapan Dr. Fisch, “Ve kolektif davranışlarını hangi yasaların yönettiğini bildiğimizi düşünüyoruz” dedi. “Fakat laboratuvarda, araştırabileceğimiz kolektif fenomenler sergileyen bir plazma çifti üretene kadar, bundan kesinlikle emin olamayız.
toplu davranış
“Sorun şu ki, çift plazmalardaki kolektif davranışı gözlemlemenin çok zor olduğu biliniyor” diye ekledi. “Dolayısıyla, bizim için büyük bir adım, bunu ortak bir üretim-gözlem sorunu olarak düşünmek, harika bir gözlem yönteminin neyin üretilmesi gerektiğine ilişkin koşulları gevşettiğini ve karşılığında bizi daha pratik bir kullanıcı tesisine götürdüğünü kabul etmekti.”
Kağıdın önerdiği benzersiz simülasyon, lazeri ışık hızına yakın hareket eden yoğun bir elektron ışını ile çarpıştırarak yüksek yoğunluklu QED çifti plazması oluşturur. Bu yaklaşım, QED kaskadlarını üretmek için yaygın olarak önerilen ultra güçlü lazerlerin çarpışması yöntemiyle karşılaştırıldığında maliyet açısından verimlidir. Yaklaşım ayrıca plazma parçacıklarının hareketini yavaşlatır ve böylece daha güçlü toplu etkilere izin verir.
Qu, “Bugün hiçbir lazer bunu başaracak kadar güçlü değil ve onları inşa etmek milyarlarca dolara mal olabilir” dedi. “Yaklaşımımız, QED çift plazma elde etmek için bir elektron ışını hızlandırıcı ve orta derecede güçlü bir lazer kullanmayı güçlü bir şekilde desteklemektedir. Çalışmamızın anlamı, bu yaklaşımı desteklemenin çok para kazandırabileceğidir.”
Simülasyonu SLAC’ta yeni bir lazer ve elektron deneyleri turuyla test etmek için hazırlıklar devam ediyor. SLAC araştırmacısı ve Princeton Üniversitesi’nde Qu ve Fisch ile birlikte iki makaleyi birlikte yazan eski doktora sonrası misafir araştırmacı Sebastian Meuren, “Burada yaptığımız şey, radyo patlamaları üreten çağlayanın başlangıç noktasıdır” dedi.
gelişen deney
Meuren, “Laboratuvarda bir radyo patlaması gibi bir şeyi gözlemleyebilirsek, bu son derece heyecan verici olurdu” dedi. “Ama ilk kısım sadece elektron ışınlarının saçılmasını gözlemlemek ve bunu yaptığımızda, elektron-pozitron çiftlerini gerçekten görmek için daha yüksek yoğunluklara ulaşmak için lazer yoğunluğunu iyileştireceğiz. Buradaki fikir, deneyimizin önümüzdeki iki yıl içinde gelişeceğidir.”
Qu, bu araştırmanın genel amacının, manyetarlar gibi cisimlerin nasıl çift plazma oluşturduğunu ve hızlı radyo patlamalarıyla ilişkili yeni fiziğin nasıl ortaya çıktığını anlamak olduğunu söyledi. “Bunlar ilgilendiğimiz temel sorular.”
Bu ortak çalışma, Astrofizik Bilimler Departmanı aracılığıyla Princeton Üniversitesi’ne verilen Ulusal Nükleer Güvenlik Ajansı (NNSA) hibeleri ve Stanford Üniversitesi’ne verilen DOE hibeleri ile desteklenmiştir.
Referans: Kenan Qu, Sebastian Meuren ve Nathaniel J. Fisch, 21 Nisan 2022, “Işın odaklı QED kaskadlarında elektron-pozitron çiftlerinin toplu plazma etkileri”, Plazma Fiziği.
DOI: 10.1063/5.0078969