Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pela Universidade de Oxford alcançou uma inovação mundial ao criar uma “bola de fogo” de plasma no Acelerador Síncrotron Super Próton do CERN em Genebra. O seu objetivo era investigar como os jatos de plasma de blazares distantes permanecem estáveis enquanto viajam pelo espaço.
Os resultados da festa, divulgados no dia 3 de novembro PNASPode ajudar a resolver um grande mistério sobre os raios gama perdidos no universo e seu vasto e invisível campo magnético.
Bluzers e o quebra-cabeça dos raios gama perdidos
Um blazar é um tipo de galáxia ativa alimentada por buracos negros supermassivos que emitem jatos estreitos e poderosos de partículas e radiação viajando quase à velocidade da luz. Esses feixes emitem raios gama extremamente poderosos que podem atingir vários teraelétron-volts (1 TeV = 1012 eV), que é detectado por observatórios terrestres.
À medida que estes raios gama TeV viajam através do espaço intergaláctico, eles interagem com a fraca luz de fundo da estrela, criando uma cascata de pares electrão-pósitron. Esses pares deveriam então colidir com a radiação cósmica de fundo, produzindo raios gama de baixa energia (cerca de 109 eV ou GeV). No entanto, os telescópios espaciais de raios gama, como o satélite Fermi da NASA, não observaram este sinal esperado. A razão para esta disparidade é desconhecida há muito tempo.
Os cientistas propuseram duas explicações possíveis. Uma teoria sugere que os campos magnéticos fracos dentro das galáxias desviam os pares elétron-pósitron, desviando assim os raios gama para longe da Terra. Outro, enraizado na física dos plasmas, sugere que os pares se desestabilizam à medida que passam pelo gás fino que preenche o espaço intergaláctico. Nesta situação, pequenas perturbações no plasma criam campos magnéticos e turbulência que drenam energia do feixe.
Reconstruindo condições cosmológicas em laboratório
Para testar essas ideias, a equipe de pesquisa – combinando a experiência de Oxford e da Central Laser Facility (CLF) do Science and Technology Facilities Council (STFC) – usou a configuração HiRadMat (High-Radiation to Material) do CERN. Eles usam um síncrotron de superprótons para gerar feixes de pares elétron-pósitron e enviá-los através de um plasma de um metro de comprimento. O experimento serviu como uma simulação em pequena escala de como um par de blazares forma cascata através do material intergaláctico.
Ao medir a forma do feixe e os campos magnéticos que ele cria, os investigadores conseguiram determinar se a turbulência do plasma poderia ser forte o suficiente para perturbar o fluxo do feixe.
Resultados surpreendentes apontam para campos magnéticos antigos
Os resultados foram inesperados. Em vez de divergirem, os feixes do par estão fortemente focados e quase paralelos, mostrando muito pouca perturbação ou atividade magnética. Quando aplicado a escalas cósmicas, isto sugere que as instabilidades do plasma por si só são demasiado fracas para que os raios gama estejam ausentes.
O resultado apoia uma explicação alternativa – que o meio intergaláctico contém um campo magnético remanescente do universo primitivo.
O pesquisador principal, Professor Gianluca Gregory (Departamento de Física da Universidade de Oxford), disse:”Nossa pesquisa mostra como experimentos de laboratório podem ajudar a preencher a lacuna entre teoria e observação, melhorando nossa compreensão de objetos astrofísicos de satélites e telescópios terrestres. Isso destaca a importância crescente dos experimentos, especialmente em torno do solo. Acesso a regimes físicos extremos. “
O universo primitivo e a origem do magnetismo
Os resultados levantam novas questões sobre como tais campos magnéticos podem ser gerados. Acredita-se que o universo primitivo tenha sido altamente uniforme, por isso é difícil explicar a existência de campos magnéticos daquela época. Os pesquisadores sugerem que a resposta pode envolver física além do Modelo Padrão. Espera-se que futuros observatórios, como o Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), forneçam dados mais nítidos para explorar essas teorias.
O co-investigador Professor Bob Bingham (STFC Central Laser Facility e Universidade de Strathclyde) disse:”Estas experiências mostram como a astrofísica de laboratório pode testar teorias do universo de alta energia. Ao reproduzir as condições relativísticas do plasma no laboratório, podemos medir processos que podem compreender melhor a evolução da vida ou o campo da evolução no espaço intergaláctico.”
O co-investigador Professor Subir Sarkar (Departamento de Física da Universidade de Oxford) acrescentou: “Foi muito divertido fazer parte de uma experiência tão inovadora que acrescenta uma nova dimensão à investigação de fronteira realizada no CERN – esperamos que os nossos resultados interessantes despertem o interesse em financiar questões na física da comunidade de plasma (astro). Um laboratório terrestre de física de alta energia.”
O projeto reúne cientistas da Universidade de Oxford, Central Laser Facility (RAL) do STFC, CERN, Laboratório de Energia Laser da Universidade de Rochester, AWE Aldermaston, Laboratório Nacional Lawrence Livermore, Instituto Max Planck de Física Nuclear, Universidade da Islândia e Instituto Lauristoni.
