Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Oxford alcançou uma inovação mundial ao produzir uma “bola de fogo” de plasma usando o Super Proton Synchrotron do CERN em Genebra. O seu objetivo é estudar como os jatos de plasma de blazares distantes permanecem estáveis enquanto viajam pelo espaço.
As descobertas da equipe foram publicadas em 3 de novembro no Anais da Academia Nacional de Ciênciaspoderia ajudar a resolver um grande mistério sobre os raios gama perdidos no universo e seu vasto e invisível campo magnético.
Blazares e o mistério dos raios gama desaparecidos
Blazares são galáxias ativas alimentadas por buracos negros supermassivos que ejetam fluxos poderosos e estreitos de partículas e radiação quase à velocidade da luz. Esses feixes emitem raios gama de energia extremamente alta, atingindo vários teraelétron-volts (1 TeV = 1012 eV), detectado por estações de observação terrestre.
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 energia mais baixa (aproximadamente 109 eV ou GeV). No entanto, os telescópios espaciais de raios gama, como o satélite Fermi da NASA, ainda não observaram este sinal esperado. A razão para esta diferença é desconhecida há muito tempo.
Os cientistas propuseram duas explicações possíveis. Uma teoria é que os campos magnéticos fracos entre as galáxias desviam os pares elétron-pósitron, redirecionando os raios gama resultantes para longe da Terra. Outra teoria, enraizada na física dos plasmas, propõe que os próprios pares de partículas se tornam instáveis à medida que viajam através do gás fino que preenche o espaço interestelar. Neste caso, pequenas perturbações no plasma criam campos magnéticos e turbulência que consomem a energia do feixe.
Recriando condições cósmicas em laboratório
Para testar essas ideias, a equipe de pesquisa combinou a experiência da Universidade de Oxford e da Central Laser Facility (CLF) do Science and Technology Facilities Council (STFC), usando a instalação HiRadMat (Highly Radiative Materials) do CERN. Eles usaram o Super Proton Synchrotron para gerar feixes de pares elétron-pósitron e enviá-los através de um plasma de um metro de comprimento. Este experimento é uma simulação em pequena escala de como as cascatas de pares de blazares se movem através da matéria intergaláctica.
Ao medir a forma do feixe e o campo magnético que ele gera, os pesquisadores conseguiram determinar se a instabilidade do plasma era suficiente para interromper o fluxo do feixe.
Resultados surpreendentes sugerem que existiam campos magnéticos antigos
Os resultados foram inesperados. O par de feixes não se dividiu, mas permaneceu bem focado e quase paralelo, mostrando muito pouca interferência ou atividade magnética. Quando aplicado a escalas cósmicas, isto sugere que a própria instabilidade do plasma é demasiado fraca para explicar a falta de raios gama.
Os resultados apoiam uma explicação alternativa – que o meio intergaláctico contém campos magnéticos que sobraram do universo primitivo.
O pesquisador principal, Professor Gianluca Gregori (Departamento de Física da Universidade de Oxford), disse: “Nosso estudo 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. Também destaca a importância da colaboração entre instalações experimentais em todo o mundo, particularmente na obtenção de novos avanços na exploração de condições físicas cada vez mais extremas.”
O Universo Primitivo e a Origem do Magnetismo
As descobertas levantam novas questões sobre como esse campo magnético é formado. Acredita-se que o universo primitivo seja altamente homogêneo, por isso a presença de campos magnéticos naquela época é difícil de explicar. Os pesquisadores acreditam que a resposta pode envolver a física além do Modelo Padrão. Espera-se que futuros observatórios, como o Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), forneçam dados mais claros para explorar essas teorias.
O co-investigador Professor Bob Bingham (STFC Central Laser Facility e Universidade de Strathclyde) disse: “Estas experiências demonstram como a astrofísica de laboratório pode testar teorias cosmológicas de alta energia. Ao reproduzir condições relativísticas de plasma em laboratório, podemos medir os processos que moldam a evolução dos jactos cósmicos e compreender melhor as origens dos campos magnéticos no espaço interestelar.”
O co-investigador Professor Subir Sarkar (Departamento de Física, Universidade de Oxford) acrescentou: “É muito divertido estar envolvido numa experiência tão inovadora, que acrescenta uma nova dimensão à investigação de ponta em curso no CERN – esperamos que os nossos resultados surpreendentes interessem a comunidade do plasma (astrofísica) nas possibilidades de explorar questões cósmicas fundamentais em laboratórios de física de alta energia na Terra.”
O projeto reúne cientistas da Universidade de Oxford, do STFC Central Laser Facility (RAL), do CERN, do Laboratório de Energia Laser da Universidade de Rochester, do AWE Aldermaston, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, do Instituto Max Planck de Física Nuclear, da Universidade da Islândia e do Instituto de Tecnologia Avançada de Lisboa.
