使用高功率激光器阐明黑洞和伽马射线暴的科学

高功率激光器现在创造了创纪录数量的电子 - 正电子对，为研究极端天体物理过程(如黑洞和伽马射线暴)提供了令人兴奋的机会。

正电子或“反电子”是与电子质量相同但电荷相反的反粒子。高能电子 - 正电子对的产生在与恒星快速坍缩和黑洞形成相关的极端天体物理环境中很常见。这些对最终辐射出它们的能量，产生极其明亮的伽马射线爆发。

伽马射线暴(GRBs)是宇宙中已知发生的最亮的电磁事件，可以持续十毫秒到几分钟。这些GRBs如何产生的机制仍然是一个谜。

这就是高功率激光器的用武之地。在实验室中，通过将强烈的激光照射到金箔中，可以产生电子 - 正电子对的射流。这种相互作用产生高能辐射，穿过材料并产生电子 - 正电子对，因为它沿着其路径与金原子的原子核相互作用。

由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)物理学家Hui Chen和SLAC国家加速器实验室科学家Frederico Fiuza撰写的关于电子 - 正电子对等离子体创造的当前突破，其主要挑战和该领域未来的新评论出现在等离子体物理学中。

“在实验室中产生相对论性对等离子体的能力提供了一个独特的机会，可以促进我们对这些奇异等离子体状态的理解，并对这些等离子体过程在天体物理环境中所起的作用进行基准测试当前的理论模型和数值模拟，”陈说。

电子-正电子对等离子体在高能天体物理系统中非常丰富，例如与中子星和黑洞环境相关的系统。光子彼此之间的相互作用以及与强磁场的相互作用导致通过电磁级联产生多产的对。这些对等离子体通常是热的，可以在与这些致密天体物理物体相关的风或射流中加速到高速，包括脉冲星磁层，来自活动星系核的射流和GRB。

“尽管相对论对等离子体的理论和数值研究取得了重大进展，但我们对这些外来但相当重要的等离子体动力学的理解仍然有限，”Fiuza说。“相对论性对等离子体的基本兴趣和天体物理学重要性促使人们努力在实验室中生产和研究它们。

劳伦斯利弗莫尔的研究人员在2015年使用能量更高的激光器产生了创纪录数量的电子 - 正电子对，打破了2008年LLNL泰坦激光器先前实验的先前记录，当时陈的团队创造了数十亿个正电子。

Chen和Fiuza说，虽然与紧凑天体物理物体相关的所有条件在地面实验室中是无法实现的，但开发实验平台具有重要价值，这些平台将能够在受控环境中研究与成对等离子体相关的基本集体过程。

在过去的十年中，与极端天体物理等离子体相关的非凡发现让科学家和公众都兴奋不已 - 从等离子体绕黑洞运行的第一张图像到相对论性喷流和伽马射线暴产生的高能宇宙射线和辐射，再到来自银河中子星的快速射电爆发。人们早就知道，这些极端环境核心的等离子体是相对论性的，通常是电子-正电子对主导的。

在综述中，Chen和Fiuza提出了他们对这一前沿主题未来实验研究的看法。他们讨论了产生相对论性对等离子体的可能性，以及在各种条件下研究它们的集体模式。他们还讨论了研究与相对论性对束在环境电子 - 质子等离子体上传播相关的流不稳定性的前景。

“这是一个快速发展的领域，受到令人兴奋的观测发现，理论和计算发展以及光源和诊断技术进步的推动，这些进步正在推动我们对相对论对等离子体的理解极限，”陈说。

Chen和Fiuza希望他们的工作能够成为有用的资源，为进入该领域的年轻科学家和整个社区的未来发展提供额外的刺激。