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Quinta-feira, Julho 7, 2022

Desvendando um processo explosivo desconcertante que ocorre em todo o universo – ScienceDaily

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Misteriosas rajadas de rádio rápidas liberam tanta energia em um segundo quanto o Sol em um ano e estão entre os fenômenos mais intrigantes do universo. Agora, pesquisadores da Universidade de Princeton, do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e do SLAC National Accelerator Laboratory simularam e propuseram um experimento econômico para produzir e observar os estágios iniciais desse processo de uma maneira uma vez considerado impossível com a tecnologia existente.

Produzindo as extraordinárias explosões no espaço estão corpos celestes como nêutrons, ou estrelas colapsadas chamadas magnetares (ímã + estrela) encerradas em campos magnéticos extremos. Esses campos são tão fortes que transformam o vácuo no espaço em um plasma exótico composto de matéria e antimatéria na forma de pares de elétrons carregados negativamente e pósitrons carregados positivamente, de acordo com a teoria da eletrodinâmica quântica (QED). Acredita-se que as emissões desses pares sejam responsáveis ​​pelas poderosas rajadas de rádio rápidas.

Par de plasma

O plasma matéria-antimatéria, chamado “plasma par”, contrasta com o plasma usual que alimenta as reações de fusão e compõe 99% do universo visível. Este plasma consiste em matéria apenas na forma de elétrons e núcleos atômicos de massa muito maior, ou íons. Os plasmas elétron-pósitron são compostos de partículas de massa igual, mas com cargas opostas, sujeitas à aniquilação e criação. Tais plasmas podem apresentar um comportamento coletivo bastante diferente.

“Nossa simulação de laboratório é um análogo em pequena escala de um ambiente magnetar”, disse o físico Kenan Qu, do Departamento de Ciências Astrofísicas de Princeton. “Isso nos permite analisar plasmas de pares QED”, disse Qu, primeiro autor de um estudo apresentado em Física dos Plasmas como um Scilight, ou destaque científico, e também primeiro autor de um artigo na Physical Review Letters que o presente artigo expande.

“Em vez de simular um campo magnético forte, usamos um laser forte”, disse Qu. “Ele converte energia em plasma de par através do que é chamado de cascatas QED. O plasma de par então muda o pulso de laser para uma frequência mais alta”, disse ele. “O resultado emocionante demonstra as perspectivas de criar e observar o plasma de pares QED em laboratórios e permitir que experimentos verifiquem teorias sobre rajadas de rádio rápidas”.

Plasmas de pares produzidos em laboratório foram criados anteriormente, observou o físico Nat Fisch, professor de ciências astrofísicas da Universidade de Princeton e diretor associado de assuntos acadêmicos do PPPL, que atua como investigador principal desta pesquisa. “E achamos que sabemos quais leis governam seu comportamento coletivo”, disse Fisch. “Mas até que realmente produzamos um par de plasma em laboratório que exiba fenômenos coletivos que possamos investigar, não podemos ter certeza absoluta disso.

Comportamento coletivo

“O problema é que o comportamento coletivo em plasmas de pares é notoriamente difícil de observar”, acrescentou. “Assim, um grande passo para nós foi pensar nisso como um problema de produção-observação conjunta, reconhecendo que um ótimo método de observação relaxa as condições do que deve ser produzido e, por sua vez, nos leva a uma facilidade de usuário mais viável.”

A simulação única que o artigo propõe cria plasma de pares QED de alta densidade colidindo o laser com um feixe de elétrons denso viajando próximo à velocidade da luz. Essa abordagem é econômica quando comparada com o método comumente proposto de colidir lasers ultra-fortes para produzir as cascatas QED. A abordagem também retarda o movimento das partículas de plasma, permitindo efeitos coletivos mais fortes.

“Nenhum laser é forte o suficiente para conseguir isso hoje e construí-los pode custar bilhões de dólares”, disse Qu. “Nossa abordagem apoia fortemente o uso de um acelerador de feixe de elétrons e um laser moderadamente forte para obter plasma de pares QED. A implicação de nosso estudo é que apoiar essa abordagem pode economizar muito dinheiro”.

Atualmente em andamento estão os preparativos para testar a simulação com uma nova rodada de experimentos de laser e elétrons no SLAC. “De certa forma, o que estamos fazendo aqui é o ponto de partida da cascata que produz rajadas de rádio”, disse Sebastian Meuren, pesquisador do SLAC e ex-bolsista visitante de pós-doutorado na Universidade de Princeton, coautor dos dois artigos com Qu e Fisch.

Experiência em evolução

“Se pudéssemos observar algo como uma explosão de rádio no laboratório, seria extremamente emocionante”, disse Meuren. “Mas a primeira parte é apenas observar a dispersão dos feixes de elétrons e, assim que fizermos isso, melhoraremos a intensidade do laser para chegar a densidades mais altas para realmente ver os pares elétron-pósitron. A ideia é que nosso experimento evolua ao longo nos próximos dois anos mais ou menos.”

O objetivo geral desta pesquisa é entender como corpos como magnetares criam plasma de pares e quais novas físicas associadas a rajadas de rádio rápidas são provocadas, disse Qu. “Estas são as questões centrais que nos interessam.”

Este trabalho conjunto foi apoiado por bolsas da Agência Nacional de Segurança Nuclear (NNSA) concedidas à Universidade de Princeton através do Departamento de Ciências Astrofísicas e por bolsas do DOE concedidas à Universidade de Stanford.

Fonte da história:

Materiais fornecido por Laboratório de Física de Plasma do DOE/Princeton. Original escrito por John Greenwald. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.



Fonte original deste artigo

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