CERN rekreirao „kosmičke vatrene lopte“ u laboratoriji — trag za nestalim gama‑zracima

CERN rekreirao „kosmičke vatrene lopte“ u laboratoriji

U eksperimentu bez presedana, tim sa Univerziteta u Oksfordu i STFC Centralne laserske ustanove (CLF) uspešno je na Zemlji reproducirao uslove slične onima u mlazevima koje izbacuju supermasivne crne rupe poznate kao blazari. Cilj istraživanja bio je proveriti stabilnost relativističkih snopova plazme i razjasniti zašto detektujemo manje sekundarnih, niskoenergetskih gama‑zraka nego što teorije predviđaju.

Istraživači su koristili Super Proton Synchrotron u okviru CERN‑ovog postrojenja HiRadMat kako bi proizveli elektronsko‑pozitronske parove i projicirali ih kroz oko 1 metar plazme (3,3 ft). Time su u laboratorijskim uslovima simulirali proces koji se odvija kada visokenergijski gama‑zraci iz blazara stvaraju parove čestica u međugalaktičkom prostoru.

„Ovi eksperimenti pokazuju kako laboratorijska astrofizika može testirati teorije o visokoenergetskom univerzumu,“ rekao je Bob Bingham (Univerzitet Strathclyde). Reproduciranjem relativističkih plazmenih uslova u kontrolisanim uslovima, naučnici mogu direktno meriti procese koji oblikuju evoluciju kosmičkih mlazova i nastanak magnetnih polja u međugalaktičkom prostoru.

Zašto su nestali gama‑zraci problem?

Kada gama‑zraci iz blazara prolaze kroz međugalaktički prostor, interaguju sa fotonima kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja (CMB) i stvaraju elektrone i pozitronе. Te sekundarne čestice bi trebalo da generišu niže‑energetske gama‑zrake koje bi primećivali svemirski detektori, kao što je Fermi. Međutim, takvi signali se često ne detektuju — zbog čega postoje tri glavne hipoteze:

• slaba međugalaktička magnetna polja skreću elektronsko‑pozitronske pare iz našeg vidnog polja;
• plazmene nestabilnosti u retkom međugalaktičkom gasu destabilizuju snop i rasipaju energiju;
• postoji reliktno (primordijalno) magnetno polje koje utiče na putanju i emisiju sekundarnih gama‑zraka.

Šta je eksperiment otkrio?

Tim je testirao dve prve hipoteze (skretanje putem slabih magnetnih polja i destabilizaciju usled plazmenih nestabilnosti). Suprotno očekivanjima, elektronsko‑pozitronski snop u laboratoriji je ostao uzak i kolimiran, bez značajne pojave nestabilnosti koje bi stvorile velika magnetna polja.

To znači da plazmene nestabilnosti verovatno nisu dovoljne da objasne izostanak sekundarnih niskoenergetskih gama‑zraka, što pojačava verovatnoću da su odgovorne reliktne međugalaktičke magnetne sile. Ako je to tačno, postavlja se novo pitanje: kako je takvo primordijalno polje nastalo u veoma ujednačenom ranom univerzumu? Rešenje može zahtevati razmatranje fizike izvan Standardnog modela i dalja posmatranja budućim instrumentima poput Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).

„Bilo je izuzetno zabavno učestvovati u ovakvom inovativnom eksperimentu... Nadamo se da će naš rezultat probuditi interesovanje zajednice plazmene astrofizike,“ rekao je Subir Sarkar (Univerzitet Oksford).

Rad tima je objavljen u časopisu PNAS 3. novembra. Eksperiment predstavlja važan primer kako terestrični akceleratori i laserske instalacije mogu doprinijeti razumevanju fundamentalnih kosmičkih fenomena.