Desentrañar un desconcertante proceso explosivo que tiene lugar en todo el universo.

Desentrañar un desconcertante proceso explosivo que tiene lugar en todo el universo.


21 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Misteriosas ráfagas rápidas de radio liberan tanta energía en un segundo como la que emite el sol en un año y se encuentran entre los fenómenos más desconcertantes del universo. Ahora, investigadores de la Universidad de Princeton, el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC han simulado y propuesto un experimento de bajo costo para generar las primeras etapas de este proceso en una sola vez. -para-todas las formas imposibles de observar con la tecnología existente.

Las extraordinarias explosiones en el espacio son generadas por cuerpos celestes como neutrones o estrellas colapsadas llamadas magnetares (imán + estrella) atrapadas en campos magnéticos extremos. Estos campos son tan fuertes que convierten el vacío del espacio en un exótico plasma formado por materia y antimateria en forma de pares de electrones cargados negativamente y positrones cargados positivamente, según la teoría de la electrodinámica cuántica (QED). Se cree que las emisiones de estos pares son responsables de las fuertes ráfagas de radio rápidas.

pareja de plasma

El plasma de materia-antimateria, llamado «plasma par», contrasta con el plasma habitual que impulsa las reacciones de fusión y constituye el 99% del universo visible. Este plasma consiste únicamente en materia en forma de electrones y núcleos atómicos o iones mucho más masivos. Los plasmas de electrones y positrones consisten en partículas de la misma masa pero con cargas opuestas, que están sujetas a aniquilación y generación. Dichos plasmas pueden mostrar un comportamiento colectivo muy diferente.

«Nuestra simulación de laboratorio es un pequeño análogo de un entorno magnetar», dijo el físico Kenan Qu del Departamento de Ciencias Astrofísicas de Princeton. «Esto nos permite analizar pares de plasma QED», dijo Qu, primer autor de un estudio presentado en Física de plasmas («Efectos de plasma colectivos de pares de electrones y positrones en cascadas QED impulsadas por haces») como destacado de Scilight o Science y también primer autor de una publicación en Cartas de verificación física («Signature of Collective Plasma Effects in Beam-Driven QED Cascades»), a la que se extiende el presente trabajo. El físico Kenan Qu con imágenes de un rápido estallido de radio en dos galaxias El físico Kenan Qu con imágenes de un rápido estallido de radio en dos galaxias. Las fotos superior e inferior a la izquierda muestran las galaxias, con fotos mejoradas digitalmente a la derecha. Las líneas ovaladas punteadas marcan las ubicaciones de los estallidos en las galaxias. (Foto Qu de Elle Starkman; fotos de galaxias cortesía de la NASA; collage de Kiran Sudarsanan).

«En lugar de simular un campo magnético fuerte, usamos un láser fuerte”, dijo Qu. «Convierte la energía en plasma de pares a través de algo llamado cascadas QED. El par de plasma luego cambia el pulso del láser a una frecuencia más alta”, dijo. «El emocionante resultado demuestra las perspectivas de generar y observar pares de plasma QED en laboratorios y permitir experimentos para probar teorías de ráfagas de radio rápidas».

Los plasmas de pares hechos en laboratorio se han hecho antes, señaló el físico Nat Fisch, profesor de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton y director asociado de asuntos académicos en PPPL, quien se desempeña como investigador principal en esta investigación. «Y creemos que sabemos qué leyes rigen su comportamiento colectivo», dijo Fisch. «Pero hasta que realmente hagamos un par de plasma en el laboratorio que tenga fenómenos colectivos que podamos estudiar, no podemos estar absolutamente seguros.

comportamiento colectivo

«El problema es que el comportamiento colectivo es notoriamente difícil de observar en plasmas de pareja», agregó. «Así que fue un paso importante para nosotros ver esto como un problema común de producción y observación y reconocer que un gran método de observación relaja las restricciones sobre lo que se necesita producir y, a su vez, nos lleva a una configuración de usuario más viable».

La simulación única que propone el artículo crea un plasma de par QED de alta densidad al hacer chocar el láser con un haz denso de electrones que viajan casi a la velocidad de la luz. Este enfoque es rentable en comparación con el método comúnmente propuesto de colisionar láseres ultrapotentes para crear las cascadas QED. El enfoque también ralentiza el movimiento de las partículas de plasma, lo que permite efectos colectivos más potentes.

«Ningún láser hoy en día es lo suficientemente potente para lograr esto, y su construcción podría costar miles de millones de dólares. Nuestro enfoque apoya firmemente el uso de un acelerador de haz de electrones y un láser moderadamente potente para lograr un plasma de par QED», dijo Qu. La implicación de nuestro estudio es que respaldar este enfoque podría ahorrar mucho dinero”.

Se están realizando preparativos para probar la simulación con una nueva ronda de experimentos con láser y electrones en SLAC. «En cierto modo, lo que estamos haciendo aquí es el punto de partida de la cascada que crea ráfagas de radio», dijo Sebastian Meuren, investigador de SLAC y ex becario postdoctoral en la Universidad de Princeton, coautor de los dos artículos con Qu y Fisch.

Experimento en evolución

«Si pudiéramos observar algo como una ráfaga de radio en el laboratorio, sería extremadamente emocionante», dice Meuren. «Pero la primera parte es solo observar la dispersión de los haces de electrones, y una vez que lo hayamos hecho, mejoraremos la intensidad del láser para obtener densidades más altas y realmente ver los pares de electrones y positrones». La idea es que nuestro experimento evolucione durante los próximos dos años más o menos”.

El objetivo general de esta investigación es comprender cómo los cuerpos como el par de magnetares generan plasma y qué nueva física está surgiendo relacionada con las ráfagas rápidas de radio, dijo Qu.»Esas son las preguntas clave que nos interesan».



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