Las ráfagas rápidas de radio son uno de los mayores misterios cósmicos de nuestro tiempo. Son explosiones extremadamente poderosas pero extremadamente breves de radiación electromagnética en longitudes de onda de radio, que descargan en milisegundos tanta energía como 500 millones de soles.
Durante años, los científicos se preguntaron qué podría estar causando estos breves estallidos, detectados en galaxias a millones o miles de millones de años luz de distancia. Luego, en abril de 2020, obtuvimos una pista realmente sólida: un destello breve y poderoso de ondas de radio de algo dentro de la Vía Láctea: una magnetar.
Esto sugiere que al menos algunas ráfagas de radio rápidas son producidas por estas estrellas muertas extremadamente magnetizadas. Ahora, los físicos han ideado una forma de replicar en un laboratorio lo que creemos que sucede en las primeras etapas de estas locas explosiones, según la teoría de la electrodinámica cuántica (QED).
“Nuestra simulación de laboratorio es un análogo a pequeña escala de un entorno magnetar”. dice el físico Kenan Qu
Una magnetar es un tipo de estrella muerta llamada estrella de neutrones. Cuando una estrella masiva llega al final de su vida útil, expulsa su material exterior y el núcleo, que ya no está sostenido por la presión externa de la fusión nuclear, colapsa bajo su propia gravedad para formar un objeto ultradenso con un poderoso campo magnético. . Esa es la estrella de neutrones.
Algunas estrellas de neutrones tienen un campo magnético aún más poderoso. Eso es un magnetar. No sabemos cómo se vuelven así, pero sus campos magnéticos son alrededor de 1000 veces más poderosos que los de una estrella de neutrones normal, y un cuatrillones de veces más poderoso que el de la Tierra.
Los científicos creen que las ráfagas de radio rápidas son el resultado de la tensión entre el campo magnético, tan poderoso que distorsiona la forma de la magnetar, y la presión interna de la gravedad.
También se cree que el campo magnético es responsable de transformar la materia en el espacio alrededor del magnetar en un plasma que consta de pares de materia-antimateria. Estos pares consisten en un electrón cargado negativamente y un positrón cargado positivamente, y son pensado para desempeñar un papel en la emisión de las raras ráfagas rápidas de radio que se repiten.
Este plasma se llama plasma par, y es muy diferente a la mayoría del plasma del Universo. El plasma normal consiste en electrones e iones más pesados. Los pares de materia-antimateria en el plasma de pares tienen masas iguales y se forman y aniquilan entre sí espontáneamente. El comportamiento colectivo de los plasmas pares es muy diferente al de los plasmas normales.
Debido a que la fuerza de los campos magnéticos involucrados es tan extrema, Qu y sus colegas idearon una forma de crear pares de plasmas en un laboratorio por otros medios.
“En lugar de simular un fuerte campo magnético, usamos un láser fuerte”, que explica.
“Convierte la energía en plasma de pares a través de lo que se conoce como cascadas QED. El plasma de pares luego cambia el pulso del láser a una frecuencia más alta. El emocionante resultado demuestra las perspectivas de crear y observar el plasma de pares QED en laboratorios y permitir experimentos para verificar las teorías sobre la rapidez”. estalla la radio”.
La técnica consiste en generar un haz de electrones de alta velocidad, que viaja cerca de la velocidad de la luz. Se dispara un láser moderadamente potente a este rayo y la colisión resultante crea un par de plasma.
Además, ralentiza el plasma resultante. Esto podría resolver uno de los problemas encontrados con experimentos anteriores para crear plasmas de pares: observar su comportamiento colectivo.
“Creemos que sabemos qué leyes gobiernan su comportamiento colectivo. Pero hasta que realmente produzcamos un par de plasma en el laboratorio que exhiba fenómenos colectivos que podamos probar, no podemos estar absolutamente seguros de eso”. dice el físico Nat Fisch de la Universidad de Princeton.
“El problema es que el comportamiento colectivo en plasmas de pares es notoriamente difícil de observar. Por lo tanto, un paso importante para nosotros fue pensar en esto como un problema conjunto de producción y observación, reconociendo que un gran método de observación relaja las condiciones sobre lo que debe ser producido y, a su vez, nos lleva a una instalación de usuario más practicable”.
El experimento de observación aún no se ha realizado, pero ofrece una forma de realizar estas pruebas que no ha sido posible antes. Reduce la necesidad de equipos extremadamente potentes que pueden estar más allá de nuestras capacidades técnicas y presupuestos.
Actualmente, el equipo se está preparando para probar sus ideas con una serie de experimentos en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. Esperan que esto les ayude a aprender cómo los magnetares generan pares de plasmas, cómo esos pares de plasmas pueden producir ráfagas de radio rápidas e identificar cualquier física previamente desconocida que pueda estar involucrada.
“En cierto sentido, lo que estamos haciendo aquí es el punto de partida de la cascada que produce ráfagas de radio”. dice el físico Sebastian Meuren de la Universidad de Stanford y SLAC.
“Si pudiéramos observar algo como un estallido de radio en el laboratorio, sería extremadamente emocionante. Pero la primera parte es solo observar la dispersión de los haces de electrones, y una vez que lo hagamos, mejoraremos la intensidad del láser para llegar a niveles más altos”. densidades para ver realmente los pares electrón-positrón. La idea es que nuestro experimento evolucionará durante los próximos dos años más o menos”.
Así que podría pasar un poco más de tiempo hasta que obtengamos nuestras respuestas en ráfagas de radio rápidas. Pero si hemos aprendido algo a lo largo de los años, es que definitivamente vale la pena desentrañar este fascinante misterio.
El artículo del equipo ha sido publicado en Física de los plasmas.