Desentrañar un desconcertante proceso explosivo que ocurre en todo el universo

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 rentable para producir y observar las primeras etapas de este proceso de una manera que una vez se pensaba que era imposible con la tecnología existente.

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

par plasma

El plasma de materia-antimateria, llamado «plasma par», contrasta con el plasma habitual que alimenta las reacciones de fusión y constituye el 99% del universo visible. Este plasma consta de materia solo en forma de electrones y núcleos atómicos o iones de masa mucho mayor. Los plasmas de electrones y positrones están compuestos por partículas de igual masa pero con carga opuesta que están sujetas a aniquilación y creación. Dichos plasmas pueden exhibir un comportamiento colectivo bastante diferente.

«Nuestra simulación de laboratorio es un análogo a pequeña escala de un entorno magnetar», dijo el físico Kenan Qu del Departamento de Ciencias Astrofísicas de Princeton. «Esto nos permite analizar plasmas de pares QED», dijo Qu, primer autor de un estudio presentado en Física de los plasmas como Scilight, o ciencia destacada, y también primer autor de un artículo en Physical Review Letters que se amplía en el presente artículo.

«En lugar de simular un campo magnético fuerte, usamos un láser fuerte», dijo Qu. «Convierte la energía en plasma de pares a través de lo que se llama cascadas QED. El plasma de pares luego cambia el pulso del láser a una frecuencia más alta», dijo. «El emocionante resultado demuestra las perspectivas de crear y observar plasma de pares QED en laboratorios y permitir experimentos para verificar teorías sobre ráfagas de radio rápidas».

Previamente se crearon pares de plasmas producidos en laboratorio, 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 de esta investigación. «Y creemos que sabemos qué leyes rigen su comportamiento colectivo», dijo Fisch. «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.

Comportamiento colectivo

«El problema es que el comportamiento colectivo en plasmas de pares es notoriamente difícil de observar», agregó. «Por lo tanto, un gran paso 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 se debe producir y, a su vez, nos lleva a una instalación de usuario más práctica».

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

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

Actualmente están en marcha los preparativos para probar la simulación con una nueva ronda de experimentos con láser y electrones en SLAC. «En cierto sentido, lo que estamos haciendo aquí es el punto de partida de la cascada que produce ráfagas de radio», dijo Sebastian Meuren, investigador de SLAC y ex becario visitante 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», dijo Meuren. «Pero la primera parte es solo para observar la dispersión de los haces de electrones y, una vez que lo hagamos, mejoraremos la intensidad del láser para llegar a densidades más altas para ver realmente los pares de electrones y positrones. La idea es que nuestro experimento evolucionará a lo largo de los próximos dos años más o menos».

El objetivo general de esta investigación es comprender cómo los cuerpos como los magnetares crean pares de plasma y qué nueva física asociada con las ráfagas de radio rápidas se produce, dijo Qu. «Estas son las preguntas centrales que nos interesan».