De mystérieux sursauts radio rapides libèrent autant d'énergie en une seconde que le Soleil en produit en un an et font partie des phénomènes les plus déroutants de l'univers. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Princeton, du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE) et du SLAC National Accelerator Laboratory ont simulé et proposé une expérience rentable pour produire et observer les premières étapes de ce processus d'une manière autrefois considéré comme impossible avec la technologie existante.

Produisant les sursauts extraordinaires dans l'espace, ce sont des corps célestes tels que des neutrons, ou effondrés, des étoiles appelées magnétars (aimant + étoile) enfermées dans des champs magnétiques extrêmes. Ces champs sont si puissants qu'ils transforment le vide dans l'espace en un plasma exotique composé de matière et d'antimatière sous la forme de paires d'électrons chargés négativement et de positrons chargés positivement, selon la théorie de l'électrodynamique quantique (QED). On pense que les émissions de ces paires sont responsables des puissants sursauts radio rapides.

Appairer plasma

Le plasma matière-antimatière, appelé « plasma de paires », contraste avec le plasma habituel qui alimente les réactions de fusion et constitue 99 % de l'univers visible. Ce plasma se compose de matière uniquement sous forme d'électrons et de noyaux atomiques de masse très supérieure, ou ions. Les plasmas électron-positon sont composés de particules de masse égale mais de charges opposées qui sont sujettes à l'annihilation et à la création. De tels plasmas peuvent présenter des comportements collectifs assez différents.

"Notre simulation de laboratoire est un analogue à petite échelle d'un environnement de magnétar", a déclaré le physicien Kenan Qu du département des sciences astrophysiques de Princeton. "Cela nous permet d'analyser les plasmas de paires QED", a déclaré Qu, premier auteur d'une étude présentée dans Physics of Plasmas en tant que Scilight, ou point culminant de la science, et également premier auteur d'un article dans Physical Review Letters sur lequel le présent article se développe.

"Plutôt que de simuler un champ magnétique puissant, nous utilisons un laser puissant", a déclaré Qu. "Il convertit l'énergie en plasma de paire à travers ce qu'on appelle des cascades QED. Le plasma de paire déplace ensuite l'impulsion laser à une fréquence plus élevée", a-t-il déclaré. "Le résultat passionnant démontre les perspectives de création et d'observation du plasma de paires QED dans les laboratoires et permet aux expériences de vérifier les théories sur les sursauts radio rapides."

Des plasmas de paires produits en laboratoire ont déjà été créés, a noté le physicien Nat Fisch, professeur de sciences astrophysiques à l'Université de Princeton et directeur associé des affaires académiques au PPPL, qui sert de chercheur principal pour cette recherche. "Et nous pensons savoir quelles lois régissent leur comportement collectif", a déclaré Fisch. "Mais jusqu'à ce que nous produisions réellement un plasma de paires en laboratoire qui présente des phénomènes collectifs que nous puissions sonder, nous ne pouvons pas en être absolument sûrs.

Comportement collectif

"Le problème est que le comportement collectif dans les plasmas de paires est notoirement difficile à observer", a-t-il ajouté. "Ainsi, une étape majeure pour nous a été de considérer cela comme un problème conjoint de production et d'observation, reconnaissant qu'une excellente méthode d'observation assouplit les conditions sur ce qui doit être produit et nous conduit à son tour à une installation utilisateur plus pratique."

La simulation unique proposée par l'article crée un plasma de paire QED haute densité en faisant entrer en collision le laser avec un faisceau d'électrons dense se déplaçant à une vitesse proche de la lumière. Cette approche est rentable par rapport à la méthode couramment proposée de collision de lasers ultra-puissants pour produire les cascades QED. L'approche ralentit également le mouvement des particules de plasma, permettant ainsi des effets collectifs plus forts.

"Aucun laser n'est assez puissant pour y parvenir aujourd'hui et leur construction pourrait coûter des milliards de dollars", a déclaré Qu. "Notre approche soutient fortement l'utilisation d'un accélérateur de faisceau d'électrons et d'un laser modérément puissant pour obtenir un plasma à paire QED. L'implication de notre étude est que le soutien de cette approche pourrait économiser beaucoup d'argent."

Des préparatifs sont actuellement en cours pour tester la simulation avec une nouvelle série d'expériences laser et électronique au SLAC. "Dans un sens, ce que nous faisons ici est le point de départ de la cascade qui produit des sursauts radio", a déclaré Sebastian Meuren, chercheur au SLAC et ancien chercheur postdoctoral invité à l'Université de Princeton, coauteur des deux articles avec Qu et Fisch.

Expérience évolutive

"Si nous pouvions observer quelque chose comme une rafale radio dans le laboratoire, ce serait extrêmement excitant", a déclaré Meuren. "Mais la première partie consiste simplement à observer la diffusion des faisceaux d'électrons et une fois que nous aurons fait cela, nous améliorerons l'intensité du laser pour atteindre des densités plus élevées afin de voir réellement les paires électron-positon. L'idée est que notre expérience évoluera au fil du temps. les deux prochaines années environ."

L'objectif global de cette recherche est de comprendre comment des corps comme les magnétars créent des paires de plasma et quelle nouvelle physique associée aux sursauts radio rapides est provoquée, a déclaré Qu. "Ce sont les questions centrales qui nous intéressent." + Explorer plus loin

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