科學家們模擬了整個宇宙中發生的一個令人困惑的爆炸過程。神秘的快速射電暴是宇宙中最令人困惑的現象之一，它在一秒鐘內釋放的能量相當於太陽一年的能量。普林斯頓大學、美國能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）和SLAC國家加速器實驗室的研究人員現在已經模擬並提出了一個具有成本效益的實驗，以產生和觀察這一過程的早期階段，而這在以前被認為是在今天的技術中是不可能的。

天體，如中子，或塌陷的恆星，被稱為magnetars（磁星），封閉在強磁場中，呈現了空間中清晰的磁暴。根據量子電動力學（QED）理論，這些磁場是如此強烈，以至於它們將空間中的真空轉化為由物質和反物質組成的奇異等離子體，其形式是帶負電的電子和帶正電的正電子對。這些對的發射被認為是造成強大的快速射電暴的原因。

成對的等離子體

被稱為”對子等離子體”的物質-反物質等離子體與通常的等離子體形成對比，後者為核聚變反應提供燃料，並構成了99%的可見宇宙。這種等離子體僅由電子和質量大得多的原子核或離子形式的物質組成。電子-正電子等離子體由質量相等但帶電相反的粒子組成，這些粒子會被湮滅和創造。這樣的等離子體可以表現出相當不同的集體行為。

普林斯頓大學天體物理系的物理學家Kenan Qu說：”我們的實驗室模擬是一個小規模的磁星環境的模擬。這使我們能夠分析QED對等離子體。”他是最近在《等離子體物理學》上作為科學亮點展示的一項研究的第一作者，也是《物理評論快報》上一篇論文的第一作者，本文對該論文進行了闡述。

物理學家Kenan Qu與兩個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，右邊是數字增強的照片。點狀的橢圓線標誌著星系中的爆發位置。

“我們不是模擬一個強磁場，而是使用一個強激光，”Qu說。”它通過所謂的QED級聯將能量轉換為對等離子體。然後對等離子體將激光脈沖轉移到一個更高的頻率，這個令人興奮的結果展示了在實驗室中創造和觀察QED對等離子體的前景，並使實驗能夠驗證關於快速射電暴的理論。”

普林斯頓大學天體物理科學教授、PPPL學術事務副主任、擔任這項研究的主要研究者的物理學家Nat Fisch指出，實驗室生產的對等離子體此前已經被創造出來。”而且我們認為我們知道什麼規律支配著它們的集體行為。但是，直到我們在實驗室中實際產生一個對等離子體，表現出我們可以探測的集體現象，我們就不能絕對肯定這一點。

集體行為

他補充說：”問題是成對等離子體的集體行為是眾所周知的難以觀察。我們的一個重要步驟是將其視為一個聯合生產-觀察問題，認識到一個偉大的觀察方法放寬了必須生產的條件，並反過來將我們引向一個更實用的設施。”

論文提出的獨特模擬通過將激光與接近光速的密集電子束碰撞，創造出高密度的QED對等離子體。與通常提出的碰撞超強激光器以產生QED級聯的方法相比，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動，從而允許更強的集體效應。

Qu說：”今天沒有足夠強的激光器來實現這一點，而且建造它們可能需要花費數十億美元。我們的方法強烈支持使用一個電子束加速器和一個中等強度的激光器來實現QED對等離子體。我們的研究的含義是，支持這種方法可以節省大量的資金。”

“目前正在準備用SLAC的新一輪激光和電子實驗來測試該模擬。”SLAC研究員、普林斯頓大學前博士後訪問學者Sebastian Meuren說：”在某種意義上，我們在這裡做的是產生射電暴的級聯的起點。”

不斷發展的實驗

Meuren說：”如果我們能在實驗室裡觀察到類似射電暴的現象，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，我們將提高激光強度，以達到更高的密度，從而真正看到電子-正電子對。我們的想法是實驗將在未來兩年左右的時間裡不斷發展。”

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