Ученые исследуют, как гамма

Jun 13, 2023

После подписания Договора о запрещении ядерных испытаний в 1963 году американские ученые запустили спутники с целью мониторинга Земли на предмет всплесков гамма-лучей, чье излучение является верным признаком тайного ядерного испытания. Однако ученые были удивлены, когда обнаружили всплески гамма-лучей не с Земли, а из космоса.

Эти кратковременные всплески радиации не были работой инопланетян, взорвавших ядерные бомбы. Они были признаком гамма-всплеска, самого мощного и опасного взрыва во Вселенной. Эти события настолько смертоносны, что если бы они произошли где-нибудь в космических окрестностях Земли, это привело бы к стерилизации планеты. Чтобы лучше понять это явление, исследователи из лаборатории ЦЕРН в Европе используют мощный ускоритель частиц, чтобы воссоздать в лаборатории интенсивные условия, характеризующие гамма-всплеск.

Считается, что гамма-всплеск образуется, когда у массивной звезды заканчивается ядерное топливо и ее ядро ​​коллапсирует само по себе, образуя черную дыру. Когда звезда коллапсирует, она образует очень сильные магнитные поля, которые удерживают часть материала звезды от падения в черную дыру. Эти магнитные поля направляют часть этого материала к полюсам звезды, а затем выбрасывают его в космос почти со скоростью света.

Поток материала, выбрасываемый из каждого полюса, называется струей, а сам материал представляет собой горячую плазму, которая является результатом нагрева газа до такой степени, что он теряет часть электронов своих атомов. Джеты также включают гамма-лучи, а также интенсивные выбросы электронов и позитронов (эквивалент электронов в антивеществе). Электроны и позитроны взаимодействуют с магнитными полями сложным образом.

Эти плазменные струи чрезвычайно яркие. Менее чем за секунду они производят столько энергии, сколько Солнце будет излучать за 10 миллиардов лет, и их можно легко обнаружить на расстоянии в миллиарды световых лет. Они также весьма смертоносны. Согласно некоторым теориям, если бы гамма-всплеск произошел на расстоянии примерно 200 световых лет от Земли и его струи были бы направлены прямо на нас, наша планета испарилась бы. На больших расстояниях, но все же в Млечном Пути, радиация стерилизует все живое на той стороне Земли, которая направлена ​​в сторону взрыва.

Даже гамма-всплеск на расстоянии более миллиарда световых лет может нарушить радиосвязь здесь, на Земле. Они настолько сильны. К счастью, эти вспышки относительно редки, и астрономы не верят, что какая-либо звезда в окрестностях Земли может стать кандидатом на их создание. Однако некоторые учёные полагают, что гамма-всплеск был ответственен за ордовикско-силурийское массовое вымирание около 440 миллионов лет назад, в ходе которого вымерло около 85% видов той эпохи.

Мы можем описать основные механизмы, вызывающие гамма-всплески, но детали остаются загадкой. Любой лаборатории очень сложно воссоздать необходимую комбинацию хаотических магнитных полей внутри плотной, очень горячей плазмы. Тем не менее, исследователи наконец-то собираются взглянуть на эти сложные условия.

Ученые лаборатории ЦЕРН в Европе создали объект, который они назвали «Огненный шар». ЦЕРН — ведущая европейская лаборатория физики элементарных частиц, наиболее известная благодаря созданию Большого адронного коллайдера, самого мощного в мире ускорителя частиц. Коллайдер — последний компонент серии ускорителей частиц меньшего размера. Каждый ускоритель увеличивает энергию пучка частиц на определенную величину, а затем передает ее следующему ускорителю в цепочке. Во многом это похоже на различные передачи в автомобиле: каждая передача настроена на определенную скорость.

Один из ускорителей комплекса Большого адронного коллайдера называется суперпротонным синхротроном. В этом ускорителе протоны достигают скорости 99,9998% скорости света. Эти протоны затем выстреливаются в неподвижную мишень. В ходе многоэтапной процедуры они преобразуются в пучок высокоэнергетических электронов и позитронов. Наконец, этот пучок электронов/позитронов направляется в контейнер, в котором образуется горячая плазма. (Это не так опасно, как кажется. В конце концов, люминесцентные лампы содержат плазму, как и плазменные шары, которые можно купить в магазинах новинок.)