La misteriosa radiazione emessa da angoli remoti della galassia potrebbe finalmente essere spiegata con gli sforzi per ricreare uno stato unico della materia che si è manifestato nei primi istanti dopo il Big Bang.

Per 50 anni, gli astronomi sono rimasti perplessi su strane onde radio e raggi gamma emessi dai resti rotanti di stelle morte chiamate pulsar.

I ricercatori ritengono che questi enigmatici, impulsi di radiazione altamente energetici sono prodotti da esplosioni di elettroni e dai loro gemelli di antimateria, positroni. L'universo è stato brevemente riempito con questi surriscaldati, particelle caricate elettricamente nei secondi che seguirono il Big Bang prima che tutta l'antimateria svanisse, portando con sé i positroni. Ma gli astrofisici pensano che le condizioni necessarie per forgiare i positroni possano ancora esistere nei potenti campi elettrici e magnetici generati intorno alle pulsar.

"Questi campi sono così forti, e si attorcigliano e si riconnettono così violentemente, che essenzialmente applicano l'equazione di Einstein di E =mc ² e creare materia e antimateria dall'energia, " ha affermato il professor Luis Silva presso l'Instituto Superior Técnico di Lisbona, Portogallo. Insieme, si pensa che gli elettroni e i positroni formino una forma di materia surriscaldata nota come plasma attorno a una pulsar.

Ma le condizioni esatte necessarie per produrre un plasma contenente positroni rimangono poco chiare. Gli scienziati inoltre non capiscono ancora perché le onde radio emesse dal plasma attorno alle pulsar abbiano proprietà simili alla luce in un raggio laser, una struttura ondulatoria nota come coerenza.

Per scoprirlo, i ricercatori si stanno ora rivolgendo a potenti simulazioni al computer per modellare ciò che potrebbe accadere. Nel passato, tali simulazioni hanno faticato a imitare l'incredibile numero di particelle generate attorno alle pulsar. Ma il prof. Silva e il suo team, insieme ai ricercatori dell'Università della California, Los Angeles negli Stati Uniti, hanno adattato un modello di computer chiamato OSIRIS in modo che possa funzionare su supercomputer, permettendogli di seguire miliardi di particelle contemporaneamente.

Il modello aggiornato, che fa parte del progetto InPairs, ha identificato le condizioni astrofisiche necessarie affinché le pulsar generino elettroni e positroni quando i campi magnetici vengono separati e ricollegati ai loro vicini in un processo noto come riconnessione magnetica.

OSIRIS ha anche previsto che i raggi gamma rilasciati da elettroni e positroni mentre attraversano un campo magnetico brilleranno in getti discontinui anziché in fasci lisci.

I risultati hanno rafforzato le teorie secondo cui i segnali enigmatici provenienti dalle pulsar sono prodotti dalla distruzione degli elettroni quando si ricombinano con i positroni nei campi magnetici attorno a queste stelle morte.

Il prof. Silva sta ora utilizzando i dati di queste simulazioni per cercare firme di scoppio simili nelle osservazioni astronomiche passate. Gli schemi rivelatori rivelerebbero dettagli su come i campi magnetici si evolvono attorno alle pulsar, offrendo nuovi indizi su ciò che sta accadendo al loro interno. Aiuterà anche a confermare la validità del modello OSIRIS per i ricercatori che cercano di creare antimateria in laboratorio.

Laser esplosivi

Le intuizioni ottenute dalle simulazioni vengono già utilizzate per aiutare a progettare esperimenti che utilizzeranno laser ad alta potenza per imitare le enormi quantità di energia rilasciate dalle pulsar. L'Extreme Light Infrastructure farà esplodere bersagli non più larghi di un capello umano con petawatt di potenza laser. Sotto questo progetto, laser sono in costruzione in tre stabilimenti in tutta Europa:a Măgurele in Romania, Seghedino in Ungheria, e Praga nella Repubblica Ceca. In caso di successo, gli esperimenti potrebbero creare miliardi di coppie elettrone-positroni.

"OSIRIS sta aiutando i ricercatori a ottimizzare le proprietà del laser per creare materia e antimateria come fanno le pulsar, " ha detto il Prof. Silva. "Il modello offre una road map per futuri esperimenti".

Ma ci sono alcuni che stanno tentando di maneggiare plasmi materia-antimateria in modi ancora più controllati in modo da poterli studiare.

Professor Thomas Sunn Pedersen, un fisico applicato presso il Max Planck Institute for Plasma Physics a Garching, Germania, sta utilizzando piastre metalliche cariche per confinare i positroni accanto agli elettroni come primo passo verso la creazione di un plasma materia-antimateria su un tavolo.

Sebbene il prof. Sunn Pedersen lavori con il fascio di positroni a bassa energia più intenso al mondo, concentrare particelle sufficienti per accendere un plasma materia-antimateria rimane impegnativo. I ricercatori utilizzano "gabbie" elettromagnetiche generate sotto vuoto per confinare l'antimateria, ma questi richiedono aperture per l'iniezione delle particelle all'interno. Queste stesse aperture consentono alle particelle di fuoriuscire, però, rendendo difficile la formazione di particelle sufficienti per la formazione di un plasma.

Il prof. Sunn Pedersen ha inventato un campo elettromagnetico con una "botola" che può far entrare i positroni prima di chiudersi dietro di loro. L'anno scorso, il nuovo design è stato in grado di aumentare il tempo in cui le particelle di antimateria sono rimaste confinate nel campo di un fattore 20, tenendoli in posizione per più di un secondo.

"Nessuno è mai riuscito a farlo in una trappola completamente magnetica, " ha detto il prof. Sunn Pedersen. "Abbiamo dimostrato che l'idea funziona".

Ma tenere in posizione queste sfuggenti particelle di antimateria è solo una pietra miliare verso la creazione di un plasma materia-antimateria in laboratorio. Nell'ambito del progetto PAIRPLASMA, Il prof. Sunn Pedersen sta ora aumentando la qualità del vuoto e generando il campo con un anello levitante per confinare i positroni per oltre un minuto. Lo studio delle proprietà dei plasmi accesi in queste condizioni offrirà preziose informazioni ai campi vicini.

Nel mese di giugno, Per esempio, Il prof. Sunn Pedersen ha utilizzato una variante di questa trappola magnetica per stabilire un nuovo record mondiale nelle reazioni di fusione nucleare innescate nei plasmi di materia convenzionale.

"Fenomeni collettivi come la turbolenza attualmente complicano il controllo sui grandi plasmi di fusione, " ha detto il prof. Sunn Pedersen. "Molto di questo è dovuto al fatto che gli ioni sono molto più pesanti degli elettroni in essi contenuti".

Spera che producendo plasmi di elettroni-positroni come quelli creati dal Big Bang, potrebbe essere possibile evitare questa complicazione perché elettroni e positroni hanno la stessa massa esatta. Se possono essere controllati, tali plasmi potrebbero aiutare a convalidare modelli complessi e ricreare le condizioni attorno alle pulsar in modo che possano essere studiati da vicino in laboratorio per la prima volta.

In caso di successo, potrebbe finalmente dare agli astronomi le risposte su cui si sono perplessi per così tanto tempo.

Cos'è una pulsar?

Scoperto per la prima volta dall'astronomo Jocelyn Bell nel 1967, le pulsar sono altamente magnetizzate, resti rotanti di stelle che sono collassate alla fine della loro vita. Emettono fasci di raggi gamma e onde radio che ruotano in modo molto simile alla luce di un faro. Se visto dalla Terra, questo dà l'impressione che la radiazione arrivi a impulsi. Si pensa che gli intensi campi magnetici intorno a queste stelle morte generino nuvole di particelle cariche note come plasmi, che a loro volta generano la radiazione.