天體，如中子，或塌陷的恒星，被稱為magnetars（磁星），封閉在強(qiáng)磁場(chǎng)中，呈現(xiàn)了空間中清晰的磁暴。根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）理論，這些磁場(chǎng)是如此強(qiáng)烈，以至于它們將空間中的真空轉(zhuǎn)化為由物質(zhì)和反物質(zhì)組成的奇異等離子體，其形式是帶負(fù)電的電子和帶正電的正電子對(duì)。這些對(duì)的發(fā)射被認(rèn)為是造成強(qiáng)大的快速射電暴的原因。

成對(duì)的等離子體

被稱為"對(duì)子等離子體"的物質(zhì)-反物質(zhì)等離子體與通常的等離子體形成對(duì)比，后者為核聚變反應(yīng)提供燃料，并構(gòu)成了99%的可見宇宙。這種等離子體僅由電子和質(zhì)量大得多的原子核或離子形式的物質(zhì)組成。電子-正電子等離子體由質(zhì)量相等但帶電相反的粒子組成，這些粒子會(huì)被湮滅和創(chuàng)造。這樣的等離子體可以表現(xiàn)出相當(dāng)不同的集體行為。

(資料圖片)

普林斯頓大學(xué)天體物理系的物理學(xué)家Kenan Qu說："我們的實(shí)驗(yàn)室模擬是一個(gè)小規(guī)模的磁星環(huán)境的模擬。這使我們能夠分析QED對(duì)等離子體。"他是最近在《等離子體物理學(xué)》上作為科學(xué)亮點(diǎn)展示的一項(xiàng)研究的第一作者，也是《物理評(píng)論快報(bào)》上一篇論文的第一作者，本文對(duì)該論文進(jìn)行了闡述。

物理學(xué)家Kenan Qu與兩個(gè)星系中快速射電暴的圖像。左邊的頂部和底部的照片顯示的是星系，右邊是數(shù)字增強(qiáng)的照片。點(diǎn)狀的橢圓線標(biāo)志著星系中的爆發(fā)位置。

"我們不是模擬一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，而是使用一個(gè)強(qiáng)激光，"Qu說。"它通過所謂的QED級(jí)聯(lián)將能量轉(zhuǎn)換為對(duì)等離子體。然后對(duì)等離子體將激光脈沖轉(zhuǎn)移到一個(gè)更高的頻率，這個(gè)令人興奮的結(jié)果展示了在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造和觀察QED對(duì)等離子體的前景，并使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證關(guān)于快速射電暴的理論。"

普林斯頓大學(xué)天體物理科學(xué)教授、PPPL學(xué)術(shù)事務(wù)副主任、擔(dān)任這項(xiàng)研究的主要研究者的物理學(xué)家Nat Fisch指出，實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的對(duì)等離子體此前已經(jīng)被創(chuàng)造出來。"而且我們認(rèn)為我們知道什么規(guī)律支配著它們的集體行為。但是，直到我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中實(shí)際產(chǎn)生一個(gè)對(duì)等離子體，表現(xiàn)出我們可以探測(cè)的集體現(xiàn)象，我們就不能絕對(duì)肯定這一點(diǎn)。

集體行為

他補(bǔ)充說："問題是成對(duì)等離子體的集體行為是眾所周知的難以觀察。我們的一個(gè)重要步驟是將其視為一個(gè)聯(lián)合生產(chǎn)-觀察問題，認(rèn)識(shí)到一個(gè)偉大的觀察方法放寬了必須生產(chǎn)的條件，并反過來將我們引向一個(gè)更實(shí)用的設(shè)施。"

論文提出的獨(dú)特模擬通過將激光與接近光速的密集電子束碰撞，創(chuàng)造出高密度的QED對(duì)等離子體。與通常提出的碰撞超強(qiáng)激光器以產(chǎn)生QED級(jí)聯(lián)的方法相比，這種方法是具有成本效益的。該方法還減緩了等離子體粒子的運(yùn)動(dòng)，從而允許更強(qiáng)的集體效應(yīng)。

Qu說："今天沒有足夠強(qiáng)的激光器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而且建造它們可能需要花費(fèi)數(shù)十億美元。我們的方法強(qiáng)烈支持使用一個(gè)電子束加速器和一個(gè)中等強(qiáng)度的激光器來實(shí)現(xiàn)QED對(duì)等離子體。我們的研究的含義是，支持這種方法可以節(jié)省大量的資金。"

"目前正在準(zhǔn)備用SLAC的新一輪激光和電子實(shí)驗(yàn)來測(cè)試該模擬。"SLAC研究員、普林斯頓大學(xué)前博士后訪問學(xué)者Sebastian Meuren說："在某種意義上，我們?cè)谶@里做的是產(chǎn)生射電暴的級(jí)聯(lián)的起點(diǎn)。"

不斷發(fā)展的實(shí)驗(yàn)

Meuren說："如果我們能在實(shí)驗(yàn)室里觀察到類似射電暴的現(xiàn)象，那將是非常令人興奮的。但是第一部分只是觀察電子束的散射，一旦我們做到這一點(diǎn)，我們將提高激光強(qiáng)度，以達(dá)到更高的密度，從而真正看到電子-正電子對(duì)。我們的想法是實(shí)驗(yàn)將在未來兩年左右的時(shí)間里不斷發(fā)展。"

這項(xiàng)研究的總體目標(biāo)是了解像磁星這樣的天體如何創(chuàng)造對(duì)等離子體，以及與快速射電暴相關(guān)的新物理學(xué)帶來了什么，這項(xiàng)聯(lián)合工作得到了美國國家核安全局（NNSA）通過天體物理科學(xué)系授予普林斯頓大學(xué)的撥款和能源部授予斯坦福大學(xué)的撥款的支持。