Bolas de fogo de plasma do espaço são geradas em laboratório pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/07/2024

Representação artística de um buraco negro emitindo um jato de plasma. As "bolas de fogo" de plasma geradas experimentalmente abrem a possibilidade de uma astrofísica laboratorial.
[Imagem: NASA/JPL-Caltech]

Plasma astrofísico

Cientistas conseguiram produzir em laboratório pela primeira vez "bolas de fogo" de plasma, imitando um dos ambientes mais extremos do Universo, que agora poderão ser estudados experimentalmente.

Dentro e ao redor os buracos negros e das estrelas de nêutrons, que estão entre os objetos mais densos conhecidos no Universo, existem plasmas, o quarto estado fundamental da matéria, juntamente com os sólidos, líquidos e gases. Nessas condições extremas, os plasmas são conhecidos como plasmas relativísticos de pares elétron-pósitron, porque compreendem uma coleção de elétrons e suas antipartículas, os pósitrons, todos voando quase à velocidade da luz.

Embora esses plasmas sejam onipresentes nas condições astrofísicas do espaço profundo, produzi-los em laboratório vinha se mostrando um desafio difícil de vencer.

Agora, uma equipe internacional conseguiu gerar experimentalmente feixes relativísticos de pares de elétrons-pósitrons e um plasma de alta densidade, produzindo de duas a três ordens de magnitude mais pares matéria-antimatéria do que era possível até agora. Embora não seja um ambiente de plasma contínuo, como acontece no espaço, as "condensações" criadas, que os cientistas chamam de "bolas de fogo", são suficientes para permitir estudos experimentais.

"A geração em laboratório de 'bolas de fogo' de plasma compostas de matéria, antimatéria e fótons é um objetivo de pesquisa na vanguarda da ciência de alta densidade energética," disse Charles Arrowsmith, da Universidade de Oxford. "Mas a dificuldade experimental de produzir pares elétron-pósitron em números suficientemente elevados limitou, até este ponto, a nossa compreensão a estudos puramente teóricos."

Um próton (extrema esquerda) colide com núcleos de carbono (pequenas esferas cinza), produzindo uma chuva de várias partículas elementares, incluindo um grande número de píons neutros (esferas laranja). À medida que os píons neutros instáveis decaem, eles emitem dois raios gama de alta energia (setas amarelas onduladas). Esses raios gama interagem com o campo elétrico dos núcleos de tântalo (grandes esferas cinzentas), gerando pares de elétrons e pósitrons e resultando nas bola de fogo de plasma de elétrons-pósitrons.
[Imagem: Heather Palmer/University of Rochester Laboratory for Laser Energetics]

Bolas de fogo de plasma

O experimento, que foi realizado em um laboratório do CERN, na Suíça, chamado Síncrotron Super Próton (SPS), gerou feixes de pares elétron-pósitron quase neutros usando mais de 100 bilhões de prótons, apresentando um rendimento de pares matéria-antimatéria inédito.

Cada próton carrega uma energia cinética 440 vezes maior que sua energia de repouso. Devido a este grande momento, quando o próton choca-se contra um átomo, ele tem energia suficiente para liberar seus constituintes internos, os quarks e glúons, que depois se recombinam para produzir um chuveiro de partículas que, em última análise, decai em elétrons e pósitrons. Devido aos efeitos em cascata, um único próton pode gerar muitos elétrons e pósitrons, tornando esse processo de produção de plasma em pares extremamente eficiente.

Em outras palavras, o feixe gerado pelo acelerador síncrotron gera partículas suficientes para começar a se comportar como um verdadeiro plasma astrofísico. A equipe também desenvolveu técnicas para modificar a emissão dos feixes de pares elétron-pósitron, tornando possível realizar estudos controlados de interações de plasma em análogos de sistemas astrofísicos.

"Isto abre uma fronteira inteiramente nova na astrofísica laboratorial, tornando possível sondar experimentalmente a microfísica de explosões de raios gama ou jatos blazar," disse Arrowsmith.

"Os telescópios terrestres e espaciais não são capazes de ver os menores detalhes desses objetos distantes, e até agora só podíamos confiar em simulações numéricas. Nosso trabalho de laboratório nos permitirá testar essas previsões obtidas a partir de cálculos muito sofisticados e validar como as bolas de fogo cósmicas são afetadas pelo tênue plasma interestelar," complementou Gianluca Gregori, membro da equipe.

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