Bolas de fogo de plasma do espao so geradas em laboratrio pela primeira vez

Espao

Redação do Site Inovação Tecnológica – 01/07/2024

Plasma astrofsico

Cientistas conseguiram produzir em laboratrio pela primeira vez “bolas de fogo” de plasma, imitando um dos ambientes mais extremos do Universo, que agora podero ser estudados experimentalmente.

Dentro e ao redor os buracos negros e das estrelas de nutrons, que esto entre os objetos mais densos conhecidos no Universo, existem plasmas, o quarto estado fundamental da matria, juntamente com os slidos, lquidos e gases. Nessas condies extremas, os plasmas so conhecidos como plasmas relativsticos de pares eltron-psitron, porque compreendem uma coleo de eltrons e suas antipartculas, os psitrons, todos voando quase velocidade da luz.

Embora esses plasmas sejam onipresentes nas condies astrofsicas do espao profundo, produzi-los em laboratrio vinha se mostrando um desafio difcil de vencer.

Agora, uma equipe internacional conseguiu gerar experimentalmente feixes relativsticos de pares de eltrons-psitrons e um plasma de alta densidade, produzindo de duas a trs ordens de magnitude mais pares matria-antimatria do que era possvel at agora. Embora no seja um ambiente de plasma contnuo, como acontece no espao, as “condensaes” criadas, que os cientistas chamam de “bolas de fogo”, so suficientes para permitir estudos experimentais.

“A gerao em laboratrio de ‘bolas de fogo’ de plasma compostas de matria, antimatria e ftons um objetivo de pesquisa na vanguarda da cincia de alta densidade energtica,” disse Charles Arrowsmith, da Universidade de Oxford. “Mas a dificuldade experimental de produzir pares eltron-psitron em nmeros suficientemente elevados limitou, at este ponto, a nossa compreenso a estudos puramente tericos.”

Um prton (extrema esquerda) colide com ncleos de carbono (pequenas esferas cinza), produzindo uma chuva de vrias partculas elementares, incluindo um grande nmero de pons neutros (esferas laranja). medida que os pons neutros instveis decaem, eles emitem dois raios gama de alta energia (setas amarelas onduladas). Esses raios gama interagem com o campo eltrico dos ncleos de tntalo (grandes esferas cinzentas), gerando pares de eltrons e psitrons e resultando nas bola de fogo de plasma de eltrons-psitrons.
[Imagem: Heather Palmer/University of Rochester Laboratory for Laser Energetics]

Bolas de fogo de plasma

O experimento, que foi realizado em um laboratrio do CERN, na Sua, chamado Sncrotron Super Prton (SPS), gerou feixes de pares eltron-psitron quase neutros usando mais de 100 bilhes de prtons, apresentando um rendimento de pares matria-antimatria indito.

Cada prton carrega uma energia cintica 440 vezes maior que sua energia de repouso. Devido a este grande momento, quando o prton choca-se contra um tomo, ele tem energia suficiente para liberar seus constituintes internos, os quarks e glons, que depois se recombinam para produzir um chuveiro de partculas que, em ltima anlise, decai em eltrons e psitrons. Devido aos efeitos em cascata, um nico prton pode gerar muitos eltrons e psitrons, tornando esse processo de produo de plasma em pares extremamente eficiente.

Em outras palavras, o feixe gerado pelo acelerador sncrotron gera partculas suficientes para comear a se comportar como um verdadeiro plasma astrofsico. A equipe tambm desenvolveu tcnicas para modificar a emisso dos feixes de pares eltron-psitron, tornando possvel realizar estudos controlados de interaes de plasma em anlogos de sistemas astrofsicos.

“Isto abre uma fronteira inteiramente nova na astrofsica laboratorial, tornando possvel sondar experimentalmente a microfsica de exploses de raios gama ou jatos blazar,” disse Arrowsmith.

“Os telescpios terrestres e espaciais no so capazes de ver os menores detalhes desses objetos distantes, e at agora s podamos confiar em simulaes numricas. Nosso trabalho de laboratrio nos permitir testar essas previses obtidas a partir de clculos muito sofisticados e validar como as bolas de fogo csmicas so afetadas pelo tnue plasma interestelar,” complementou Gianluca Gregori, membro da equipe.

Outras notcias sobre: