超新星爆炸和宇宙射电暴的形成过程

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超新星

有人提出了一种很有前途的方法,可以在地球上产生和观测黑洞、超新星爆炸和其他极端宇宙事件的重要过程。

这个过程是由普林斯顿大学天体物理科学系、SLAC国家加速器实验室和美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们提出的。这个过程被称为量子电动力学(QED)级联,可以导致超新星——爆炸的恒星——和快速射电暴,其毫秒数相当于太阳三天发出的能量。

第一次展示

研究人员首次从理论上证明了实验室激光与高密度电子束碰撞可以产生高密度QED级联。《物理评论快报》(Physical Review Letters, PRL)上一篇描述这一突破性演示的论文的主要作者柯南·瞿(Kenan Qu)说:“我们表明,以前认为不可能的事情实际上是可能的。”“这反过来表明,可以用现有的最先进的激光和电子束技术来探测以前未观察到的集体效应。”

这个过程以一种直截了当的方式展开。强激光脉冲与高能电子束的碰撞将真空分裂成高密度的电子-正电子对,这些电子-正电子对开始相互作用。这种相互作用产生了所谓的集体等离子体效应,影响着这些对对电场或磁场的集体反应。

等离子体是由自由电子和原子核组成的热带电物质,构成了99%的可见宇宙。等离子体燃料聚变反应为太阳和恒星提供能量,PPPL和世界各地的科学家正在寻求在地球上开发这一过程。整个宇宙的等离子体过程受到电磁场的强烈影响。

PRL的这篇论文主要研究激光的电磁强度和电子束的能量,而电子束的能量正是量子电动力学(QED)级联的基础。“我们试图模拟产生电子-正电子对的条件,使其具有足够的密度,从而产生可测量的集体效应,并看看如何明确地验证这些效应,”瞿说。

这项任务要求发现通过量子电动力学过程成功产生等离子体的特征。研究人员在中等强度的激光向更高频率的移动中发现了这一特征,这是由发射激光对抗电子束的提议引起的。“这一发现解决了最容易产生QED等离子体和最容易观察它的联合问题,”Qu说。“移动的量取决于等离子体的密度和对的能量。”

超出当前的能力

先前的理论表明,足够强的激光或电场或磁场可以产生QED对。但所需的规模如此之大,超出了目前实验室的能力。

然而,“事实证明,目前的激光技术和(以接近光速的)相对论光束,如果同时存在,就足以进入和观察这个政权,”天体物理学教授、PPPL学术事务副主任、PRL论文的合著者、该项目的首席研究员Nat Fisch说。Fisch说:“关键是要用激光来减慢这些等离子体对的速度,这样它们的质量就会降低,从而提高它们对等离子体频率的贡献,使等离子体的集体效应更大。”他说:“利用现有技术比制造超强激光器便宜得多。”

这项工作得到了国家核安全局和空军科研办公室的资助。研究人员现在正准备在斯坦福大学的SLAC测试这些理论发现,那里正在开发一种中等强度的激光,电子束的来源已经在那里了。物理学家Sebastian Meuren是这篇论文的合著者,他曾是PPPL的博士后访问学者,现在在SLAC工作,他是这项工作的核心参与者。

“就像大多数基础物理学一样,这项研究是为了满足我们对宇宙的好奇心,”曲说。“对普通社会来说,一个重大影响是,如果这一理论能够得到验证,我们可以节省数十亿美元的税收收入。”

PPPL位于新泽西州普兰斯伯勒的普林斯顿大学福雷斯特尔校区,致力于创造有关等离子体(超热带电气体)物理学的新知识,并为聚变能量的产生开发实用的解决方案。该实验室由美国能源部科学办公室管理,该办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者,正在努力应对我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息,请访问energy.gov/science。

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