Физики нашли способ моделирования зарождения быстрых радиовсплесков

Быстрые радиовсплески - одна из самых больших космических загадок нашего времени. Это чрезвычайно мощные, но чрезвычайно короткие взрывы электромагнитного излучения в радиодиапазоне длин волн, в течение миллисекунд выделяющие столько энергии, сколько 500 миллионов Солнц.

В течение многих лет ученые ломали голову над тем, что может быть причиной этих коротких вспышек, обнаруженных в галактиках, удаленных от нас на миллионы и миллиарды световых лет. Затем, в апреле 2020 года, мы получили действительно сильную зацепку: короткую мощную вспышку радиоволн от чего-то внутри Млечного Пути - магнетара.

Это позволяет предположить, что по крайней мере некоторые быстрые радиовсплески производятся этими чрезвычайно намагниченными мертвыми звездами. Теперь физики придумали способ воспроизвести в лаборатории то, что, по нашему мнению, происходит на первых стадиях этих безумных взрывов, согласно теории квантовой электродинамики (КЭД).

"Наша лабораторная симуляция представляет собой мелкомасштабный аналог магнетарной среды", - говорит физик Кенан Ку из Принстонского университета. "Это позволяет нам анализировать парные плазмы QED".

Магнетар - это тип мертвой звезды, называемой нейтронной звездой. Когда массивная звезда достигает конца своего жизненного цикла, она сдувает свой внешний материал, а ядро, больше не поддерживаемое внешним давлением ядерного синтеза, разрушается под действием собственной гравитации, образуя сверхплотный объект с мощным магнитным полем. Это и есть нейтронная звезда.

Некоторые нейтронные звезды имеют еще более мощное магнитное поле. Это магнетар. Мы не знаем, как они становятся такими, но их магнитные поля примерно в 1000 раз мощнее, чем у обычной нейтронной звезды, и в квадриллион раз мощнее, чем у Земли.

Ученые считают, что быстрые радиовсплески являются результатом напряжения между магнитным полем, настолько мощным, что оно искажает форму магнетара, и внутренним давлением гравитации.

Считается, что магнитное поле также ответственно за преобразование материи в пространстве вокруг магнетара в плазму, состоящую из пар материя-антиматерия. Эти пары состоят из отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного позитрона, и считается, что они играют роль в излучении редких повторяющихся быстрых радиовсплесков.

Эта плазма называется парной, и она сильно отличается от большинства плазмы во Вселенной. Обычная плазма состоит из электронов и более тяжелых ионов. Пары материи и антиматерии в парной плазме имеют равные массы и спонтанно образуются и аннигилируют друг с другом. Коллективное поведение парной плазмы сильно отличается от поведения нормальной плазмы.

Поскольку сила магнитных полей настолько экстремальна, Ку и его коллеги придумали способ создания парной плазмы в лаборатории с помощью других средств.

"Вместо того чтобы моделировать сильное магнитное поле, мы используем сильный лазер", - объясняет Ку.

"Он преобразует энергию в парную плазму через так называемые QED-каскады. Затем парная плазма переводит лазерный импульс на более высокую частоту". Этот захватывающий результат демонстрирует перспективы создания и наблюдения парной плазмы QED в лабораториях и позволяет проводить эксперименты для проверки теорий о быстрых радиовсплесках".

Техника включает в себя генерацию высокоскоростного электронного пучка, движущегося со скоростью, близкой к скорости света. На этот пучок направляется умеренно мощный лазер, и в результате столкновения образуется парная плазма.

Более того, в результате этого плазма замедляется. Это может решить одну из проблем, возникших в ходе предыдущих экспериментов по созданию парной плазмы - наблюдение за ее коллективным поведением.

"Мы думаем, что знаем, какие законы управляют их коллективным поведением. Но пока мы действительно не создадим в лаборатории парную плазму, в которой будут наблюдаться коллективные явления, которые мы сможем прозондировать, мы не можем быть абсолютно уверены в этом", - говорит физик Нат Фиш из Принстонского университета.

"Проблема в том, что коллективное поведение в парной плазме, как известно, трудно наблюдать. Таким образом, важным шагом для нас стало представление об этом как о совместной проблеме производства-наблюдения, признавая, что отличный метод наблюдения смягчает условия на то, что должно быть произведено, и, в свою очередь, приводит нас к более практичному пользовательскому объекту".

Эксперимент по наблюдению еще предстоит провести, но он предлагает способ проведения таких исследований, который не был возможен ранее. Он снижает потребность в чрезвычайно мощном оборудовании, которое может оказаться за пределами наших технических возможностей и бюджетов".

В настоящее время команда готовится проверить свои идеи с помощью серии экспериментов в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Это, как они надеются, поможет им узнать, как магнетары генерируют парную плазму, как эта парная плазма может порождать быстрые радиовсплески, и определить, какая ранее неизвестная физика может быть в этом задействована.

"В некотором смысле то, что мы здесь делаем, является отправной точкой каскада, который производит радиовсплески", - говорит физик Себастьян Мерен из Стэнфордского университета и SLAC.

"Если бы мы могли наблюдать в лаборатории что-то вроде радиовсплеска, это было бы чрезвычайно интересно. Но сначала мы просто наблюдаем за рассеянием электронных пучков, а как только мы это сделаем, мы улучшим интенсивность лазера, чтобы достичь более высоких плотностей и увидеть электрон-позитронные пары. Идея заключается в том, что наш эксперимент будет развиваться в течение следующих двух лет или около того".

Так что, возможно, пройдет еще немного времени, прежде чем мы получим ответы на вопросы о быстрых радиовсплесках. Но если мы чему-то и научились за эти годы, так это тому, что разгадка этой увлекательной тайны определенно стоит того, чтобы подождать.

Работа команды была опубликована в журнале Physics of Plasmas.