Ученые создали гамма-лучевой всплеск в лаборатории
Гамма-лучевые всплески, мощные вспышки света, — это самые яркие события в нашей Вселенной, которые длятся не дольше нескольких секунд или минут. Некоторые настолько яркие, что их можно наблюдать невооруженным глазом, вроде всплеска GRB 080319B, обнаруженного миссией NASA Swift GRB Explorer 19 марта 2008 года.
Но, несмотря на их интенсивность, ученые не знают причину появления гамма-всплесков. Некоторые люди вообще считают, что это послания инопланетных цивилизаций. И вот ученым удалось воссоздать мини-версию гамма-всплеска в лаборатории, открыв совершенно новый способ исследования их свойств. Результаты были опубликованы в Physical Review Letters.
Одна из причин возникновения гамма-всплесков заключается в том, что они каким-то образом рождаются в процессе выброса джетов частиц, создаваемых массивными астрофизическими объектами, такими как черные дыры. Это делает гамма-всплески чрезвычайно интересными для астрофизиков. Их подробное исследование может раскрыть ключевые свойства черных дыр, в которых эти вспышки рождаются.
Лучи, испускаемые черными дырами, в основном состоят из электронов и их «антиматериальных» компаньонов — позитронов. У всех частиц есть антивещества, которые идентичны им во всем, за исключением заряда. Такие лучи должны обладать сильными магнитными полями. Вращение этих частиц в поле рождает мощные всплески гамма-излучения. По крайней мере так предсказывают наши теории. Но никто не знает, как эти поля должны рождаться.
К сожалению, есть несколько проблем в изучении этих всплесков. Они не только живут очень мало, но — и это наиболее проблематично — и рождаются в далеких галактиках, иногда за миллиард световых лет от Земли.
Следовательно, вы полагаетесь на нечто, что находится невероятно далеко, появляется случайно и живет несколько секунд. Это похоже на попытку понять, из чего изготовлена свечка, имея лишь проблески свечей, которые время от времени зажигаются в тысячах километров от вас.
Самый мощный лазер в мире
Недавно было предложено, что лучший способ выяснить, как рождаются гамма-всплески, — имитировать их в небольших масштабах в лаборатории, создав небольшой источник электрон-позитронных пучков, и посмотреть, как они развиваются, предоставленные сами себе. Ученые из США, Франции, Великобритании и Швеции сумели создать небольшую версию этого явления, используя мощнейшие на Земле лазеры вроде лазера Gemini, принадлежащего Лаборатории Резерфорда-Эплтона в Англии.
Насколько мощный самый сильный лазер на Земле? Возьмите всю солнечную энергию, которая покрывает всю Землю, и сожмите ее до нескольких микрон (толщина человеческого волоса) — и получите мощность лазерного выстрела Gemini. Поражая лазером комплексную мишень, ученые смогли высвободить сверхбыстрые и плотные копии астрофизических джетов и создать сверхбыстрые анимации их поведения. Результат поразительный: ученые взяли настоящий джет, который простирается на тысячи световых лет и сжали его до нескольких миллиметров.
Ученые впервые сумели наблюдать ключевые явления, которые играют важную роль в создании гамма-лучевых всплесков, вроде самогенерации магнитных полей, которые живут длительное время. Это позволило подтвердить некоторые крупные теоретические предсказания о силе и распределении этих полей. Наша нынешняя модель, которая используется для понимания гамма-лучевых всплесков, находится на верном пути.
Этот эксперимент будет полезен не только для понимания гамма-лучевых всплесков. Материя, состоящая из электронов и позитронов, представляет собой чрезвычайно интересное состояние вещества. Обычное вещество на Земле состоит по большей части из атомов: тяжелых положительно заряженных ядер, окруженных облаков легких отрицательно заряженных электронов.
Из-за невероятной разницы в весе между этими двумя компонентами (самое легкое ядро весит в 1836 раз больше электрона), почти все явления, которые мы испытываем в нашей повседневной жизни, вытекают из динамики электронов, которые намного быстрее реагируют на любой ввод извне (свет, другие частицы, магнитные поля и так далее), чем ядра. Но в электрон-позитронном пучке обе частицы обладают одинаковой массой, поэтому несоответствие во времени реакции полностью устраняется. Это приводит к множеству увлекательных последствий. Например, в электрон-позитронном мире не существовало бы звука.
Зачем нам вообще переживать о столь далеких событиях? На самом деле есть зачем. Во-первых, понимание того, как рождаются гамма-всплески, позволит нам понять намного больше о черных дырах и открыть большое окно к пониманию того, как появилась наша Вселенная и как она будет развиваться. Во-вторых, есть и более тонкая причина. SETI — поиск внеземного интеллекта — ищет сообщения инопланетных цивилизаций, пытаясь уловить электромагнитные сигналы из космоса, которые нельзя объяснить естественным образом (в основном это касается радиоволн, но гамма-всплески также связаны с этим излучением).
Конечно, если направите детектор на космос, вы получите много разных сигналов. Но чтобы вычленить передачи разумных существ, сперва нужно убедиться, что известны все натуральные источники, которые можно и нужно исключить. Новое исследование поможет понять излучения черных дыр и пульсаров, поэтому, когда мы снова на них наткнемся, мы будем знать, что это не инопланетяне.
