Condições do núcleo de uma estrela são criadas em laboratório

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/09/2024

Os físicos também fizeram o cobre ficar transparente e criaram um estado exótico da matéria que só existe em condições astrofísicas.
[Imagem: IFJ PAN/NASA]

Uma estrela por um fio

O interior dos planetas e das estrelas não é lugar onde se queira passar as férias, com a pressão atingindo milhões de bares (1 bar = 10¹⁵ pascais) e a temperatura vários milhões de graus Celsius.

É até possível recriar em laboratório essas condições e os estados de matéria que elas geram, mas tudo dura apenas um piscar de olhos, abarca um volume minúsculo e exige os lasers mais poderosos do mundo, como o NIF (National Ignition Facility), usado em experimentos de fusão nuclear.

Ou, pelo menos, era assim até agora. Alejandro Garcia e colegas do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR), na Alemanha, acabam de conseguir recriar e observar essas condições extremas usando um laser muito menor, colocando esses estudos ao alcance de vários laboratórios ao redor do mundo.

E, no coração da nova tecnologia, está um fio de cobre mais fino do que um fio de cabelo humano.

"Nossas simulações de computador sugerem que atingimos uma pressão de 800 megabares," disse o professor Thomas Cowan. "Isso corresponde a 800 milhões de vezes a pressão atmosférica e 200 vezes a pressão que prevalece dentro da Terra." A temperatura atingida também foi enorme para os padrões terrestres: 100.000 ºC.

Isso é próximo das condições reinantes na coroa de uma estrela anã branca. "Nosso método também pode ser usado para atingir condições como as do interior de enormes planetas gasosos," disse Garcia, citando não apenas gigantes bem conhecidos como Júpiter, mas também um grande número de exoplanetas distantes que foram descobertos nos últimos anos.

E, além da pesquisa astrofísica, o feito dará um novo impulso à própria pesquisa da fusão nuclear.

Visualização artística do fio implodindo: Uma forte corrente de elétrons de alta energia (rosa) aquece a superfície, gerando ondas de choque subsequentes que comprimem o fio radialmente.
[Imagem: HZDR / T. Toncian]

Compressão a laser

Até agora, experimentos desse tipo têm envolvido disparar flashes de laser de altíssima energia em uma amostra de material, geralmente uma folha muito fina. Isso faz com que o material aqueça repentinamente, criando uma onda de choque que percorre a amostra.

Essa onda, por sua vez, comprime o material e o aquece, gerando condições análogas àquelas no interior de um planeta ou na casca de uma estrela. Dura apenas alguns nanossegundos, mas a pequena janela de tempo é suficiente para estudar o fenômeno usando técnicas especiais de medição, como os flashes de raios X ultrafortes de grandes aceleradores.

Agora, a equipe usou um laser pulsado cujos pulsos não têm uma energia particularmente forte - apenas cerca de um joule. No entanto, durando apenas 30 femtossegundos, esses pulsos são tão curtos que atingem uma saída de 100 terawatts. Além disso, a folha metálica foi substituída por um fio de cobre com apenas 25 micrômetros de espessura.

"Então, fomos capazes de usar os fortes flashes de raios X do XFEL europeu para observar o que estava acontecendo dentro do fio," explicou Garcia. "Essa combinação de laser de pulso curto e laser de raios X é única no mundo. Foi somente graças à alta qualidade e sensibilidade do feixe de raios X que fomos capazes de observar um efeito inesperado."

O resultado é um filme em raios X detalhado. "Primeiro, o pulso do laser interage com o fio e gera uma onda de choque local que passa pelo fio como uma detonação e, finalmente, o destrói," conta o professor Toma Toncian. "Mas, antes disso, alguns dos elétrons de alta energia criados quando o laser o atinge, correm ao longo da superfície do fio."

Esses elétrons rápidos aquecem a superfície do fio rapidamente e geram mais ondas de choque, que então correm de todos os lados rumo ao centro do fio. Por um breve momento, todas as ondas de choque colidem ali e geram pressões e temperaturas extremamente altas - as medições mostraram que a densidade do cobre no meio do fio chega a ficar de oito a nove vezes maior do que no cobre normal e frio.

Configuração experimental usada para geração das imagens do fio comprimido.
[Imagem: Alejandro Laso Garcia et al. - 10.1038/s41467-024-52232-6]

Fusão a laser

Com o sucesso do experimento, a equipe agora pretende usar fios feitos de outros materiais, como ferro e plástico. "O plástico é feito principalmente de hidrogênio e carbono. E ambos os elementos são encontrados em estrelas e suas coroas," disse Toncian.

Além das pesquisas de astrofísica, o novo método de medição será útil também para outro campo de pesquisa. "Nosso experimento mostra de forma impressionante como podemos gerar densidades e temperaturas muito altas em uma ampla variedade de materiais," destaca o pesquisador Ulf Zastrau. "Isso levará a pesquisa de fusão [nuclear] um importante passo adiante."

Várias equipes de pesquisa ao redor do mundo estão trabalhando para tentar criar usinas de energia de fusão baseada em lasers. Esse conceito, conhecido como fusão por confinamento inercial, envolve fortes flashes de laser sendo dirigidos de todos os lados rumo a uma cápsula de combustível feita de hidrogênio congelado. A ideia é comprimir a cápsula, fazendo-a queimar e liberar mais energia do que foi injetada. A possibilidade de fazer isto usando lasers menores é entusiasmante.

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