NASA/JPL-Caltech
Conceito artístico de um buraco negro com um disco de acreção e um jato de plasma
Uma equipa de investigadores do CERN produziu em laboratório um análogo dos jatos de matéria e antimatéria que saem de alguns buracos negros e estrelas de neutrões.
Na instalação HiRadMat do CERN, uma equipa de investigadores criou um feixe de plasma de alta densidade de eletrões e positrões que imita os jatos astrofísicos dos buracos negros, fornecendo novos conhecimentos sobre os fenómenos espaciais.
Estas experiências ajudam a validar modelos teóricos com dados do mundo real, abrindo caminho para uma compreensão mais profunda de acontecimentos cósmicos como os jatos de buracos negros.
Se mergulharmos no coração de uma galáxia ativa, encontraremos um buraco negro super-maciço a devorar o material que o rodeia. Em cerca de 1 em cada 10 dessas galáxias, o buraco negro também dispara jatos de matéria a uma velocidade próxima da da luz.
Os astrofísicos pensam que estes jatos relativistas de buracos negros contêm, entre outros componentes, um plasma de pares de eletrões e os seus equivalentes de antimatéria, os positrões, explica o Sci Tech Daily.
Este plasma relativista de eletrões e positrões molda a dinâmica e o “orçamento” energético do buraco negro e do seu ambiente. Mas a forma exacta como isto acontece ainda é pouco conhecida, porque é difícil medir o plasma com observações astronómicas e simulá-lo com programas de computador.
Num artigo recentemente publicado na Nature Communications, Charles Arrowsmith e colegas da colaboração Fireball relatam como utilizaram a instalação HiRadMat no CERN para produzir um feixe relativista de plasma de eletrões e positrões que permite estudar este meio em pormenor em experiências laboratoriais.
Replicação em laboratório de fenómenos astrofísicos
Os feixes relativistas de pares eletrão-positrão podem ser criados de várias formas em diferentes tipos de laboratórios, incluindo instalações de laser de alta potência.
No entanto, nenhuma das formas existentes consegue produzir o número de pares eletrão-positrão necessário para sustentar um plasma — um estado da matéria em que as partículas constituintes estão muito pouco ligadas.
Sem sustentar o plasma, os investigadores não podem investigar como estes análogos de jatos de buracos negros se alteram à medida que se movem através de um equivalente laboratorial do meio interestelar.
Esta investigação é fundamental para explicar as observações dos telescópios terrestres e espaciais. Arrowsmith e os colegas encontraram uma forma de satisfazer estes requisitos nas instalações HiRadMat do CERN.
A sua abordagem envolveu a extração, num mero nanossegundo, de trezentos mil milhões de protões do Super Proton Synchrotron do Laboratório e o seu disparo sobre um alvo de grafite e tântalo, no qual uma cascata de interações de partículas gera um enorme número de pares eletrão-positrão.
Implicações para a investigação astrofísica
Medindo o feixe relativista de electrões-positrões resultante com um conjunto de instrumentos e comparando o resultado com sofisticadas simulações computacionais, Arrowsmith e colegas mostraram que o número de pares eletrão-positrão no feixe — mais de dez biliões — é dez a cem vezes superior ao anteriormente conseguido, excedendo pela primeira vez o número necessário para manter o estado de plasma.
“Pensa-se que os plasmas de eletrões e positrões desempenham um papel fundamental nos jatos astrofísicos, mas as simulações computorizadas destes plasmas e jatos nunca foram testadas em laboratório“, afirma Arrowsmith.
“As experiências de laboratório são necessárias para validar as simulações, porque o que parece ser uma simplificação razoável dos cálculos envolvidos nas simulações pode por vezes levar a conclusões drasticamente diferentes”, acrescenta.
“A ideia básica destas experiências é reproduzir em laboratório a microfísica de fenómenos astrofísicos, tais como jatos de buracos negros e estrelas de neutrões”, afirma o coautor do artigo e investigador principal Gianluca Gregori.
“O que sabemos sobre estes fenómenos provém quase exclusivamente de observações astronómicas e de simulações em computador, mas os telescópios não podem realmente sondar a microfísica e as simulações envolvem aproximações”, acrescenta o astrofísico.
“Experiências laboratoriais como estas são uma ponte entre estas duas abordagens”, conclui Gregori.
O próximo passo de Arrowsmith e colegas é fazer com que estes poderosos jatos se propaguem através de um plasma com um metro de comprimento e observar a forma como a interação entre eles gera campos magnéticos que aceleram as partículas nos jatos — um dos maiores enigmas da astrofísica de altas energias.
