Kosmischer Jet im Labor
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik astronews.com
24. Juni 2013
Kosmische Jets gehören vermutlich mit zu den
faszinierendsten Objekten im Universum: Diese gebündelten Teilchenstrahlen
schießen aus der unmittelbaren Umgebung von supermassereichen Schwarzen Löchern
mit hoher Geschwindigkeit ins All. Forscher haben jetzt einen Weg gefunden,
bestimmte Aspekte dieser Objekte mithilfe einer handlichen Apparatur im Labor zu
untersuchen.
Die aktive
Galaxie Messier 87 mit dem vom zentralen
Schwarzen Loch ausgehenden Jet.
Bild: Hubble Heritage Team STScI /
AURA) und NASA/ESA |
Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, hochrelativistische Positronen als
gebündelten, dichten und ultrakurzen Strahl mit einem Laser herzustellen. Der
Positronenstrahl breitet sich zusammen mit einem Elektronenstrahl und
Gammastrahlung aus. Damit ähnelt dieser kombinierte Strahl astrophysikalischen
Jets, die sich nun mit einer recht handlichen Apparatur im Labor studieren
lassen. Physiker des Max-Planck-Instituts für Kernphysik haben mit
quantendynamischen Rechnungen das Experiment begleitet und erklärt. Die
Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters
vorgestellt.
Antimaterie ist in vielen Bereichen der modernen Physik von großer Bedeutung:
So ist noch ungeklärt, warum das beobachtbare Universum fast nur aus Materie
besteht. Zugleich gehen Astrophysiker davon aus, dass Antimaterie eine
wesentliche Rolle in vielen hochenergetischen Prozessen im Kosmos spielt. Der
spektakulärste davon ist wohl die Erzeugung sogenannter Jets, gebündelte
Teilchenstrahlen, die von extrem massereichen Objekten wie Schwarzen Löchern
oder Quasaren ausgehen und weit ins All hinaus reichen.
Dichte Strahlen relativistischer Positronen (den Antiteilchen der Elektronen)
für die Elementarteilchenphysik werden bisher in großen Beschleunigeranlagen
erzeugt. Auf ultrarelativistische Geschwindigkeiten beschleunigte Elektronen
werden auf ein festes Target aus einem schweren Element geschossen. Die dabei
entstehenden Positronen werden in einem Speicherring gesammelt und auf die
gewünschte Energie beschleunigt.
Das ist aufwändig und teuer. Elektronen lassen sich aber auch mit starken
Lasern aus Atomen freisetzen und über sehr kurze Distanzen stark beschleunigen.
In einem Experiment, das nun Physiker von der Queen's University of Belfast
und der University of Michigan am Center for Ultrafast Optical Science
in Michigan aufgebaut haben, trifft ein laserbeschleunigter Elektronenstrahl auf
ein Schwermetallplättchen. Darin werden Elektronen und Positronen sowie
Gammaquanten erzeugt, die mit dem ursprünglichen Elektronenstrahl davonfliegen.
Ein nachfolgender Magnet lenkt Elektronen und Positronen in entgegengesetzte
Richtungen ab und auf Detektoren, wo sie registriert werden.
Wie Antonino Di Piazza und Christoph Keitel vom Max-Planck-Instituts für
Kernphysik gezeigt haben, können die Ergebnisse des Experiments im Rahmen der
Quantenelektrodynamik erklärt werden. "Damit konnten wir auch die
experimentellen Bedingungen gut abschätzen, die Positronenstrahlen mit den
gewünschten Eigenschaften liefern", erläutert Di Piazza.
Tatsächlich gelang es den Wissenschaftlern aus Belfast und Michigan,
ultrarelativistische Positronenstrahlen zu erzeugen, die wie der Laser gepulst,
eng gebündelt und dicht sind, wobei die Strahlqualitäten von Positronen und
Elektronen sehr ähnlich sind. Der kombinierte Strahl erinnert an
astrophysikalische Jets, die mit Gammastrahlen-Ausbrüchen verbunden sind, und
eignet sich als Labormodell dafür.
Mit einer kompakten und vergleichsweise kostengünstigen Apparatur eröffnet
sich somit die Möglichkeit, diese kosmischen Phänomene, die den Astrophysikern
trotz intensiver Beobachtung und Modellierung noch immer Rätsel aufgeben,
zumindest in dem durch den Laser eingeschränkten Parameterbereich direkt im
Labor zu studieren.
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