Buracos negros liberam poderosos jatos de plasma e agora podemos replicá-los: WebCuriosos

Um experimento aqui na Terra acaba de replicar em miniatura um dos processos astrofísicos mais extremos.

Físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) conseguiram criar jatos colimados que se assemelham aos que irrompem de estrelas bebês e alimentam buracos negros.

Nossa versão de laboratório não é nem de longe tão grande ou poderosa quanto as do espaço, que podem se estender por milhões de anos-luz. Mas os resultados revelaram pela primeira vez uma instabilidade plasmática há muito hipotética que pode ajudar-nos a compreender como estas erupções se formam e são lançadas no espaço a velocidades próximas da da luz.

“Esses experimentos mostram que os campos magnéticos são muito importantes para a formação de jatos de plasma”, diz o físico do PPPL, Will Fox. “Agora que podemos ter uma ideia do que gera estes jatos, poderíamos, em teoria, estudar jatos astrofísicos gigantes e aprender algo sobre buracos negros.”

Os jatos astrofísicos são um mistério. São fluxos longos e estreitos de plasma que disparam dos pólos de certos objetos cósmicos ao longo do eixo de rotação.

Nos buracos negros, eles se formam quando o buraco negro está se alimentando; os cientistas acreditam que parte do material que gira em torno do buraco negro é desviado e acelerado ao longo das linhas do campo magnético até aos pólos, onde é lançado num jacto.

Acredita-se que um mecanismo semelhante esteja em operação com estrelas bebês, que se alimentam de material de maneira semelhante. Mas na verdade não conhecemos os detalhes da formação do jato, o que é uma lacuna bastante significativa na nossa compreensão dos processos astrofísicos.

Liderada pela física do PPPL, Sophia Malko, uma equipe de pesquisa observou agora um possível mecanismo.

A equipe queria estudar a interação entre os campos magnéticos e o plasma, que é um estado da matéria composto por partículas ionizadas. Para fazer isso, eles empregaram uma técnica conhecida como radiometria de prótons, que usava a deflexão de partículas subatômicas carregadas positivamente para mapear padrões no campo magnético do plasma.

O plasma foi criado disparando um laser contra um fino disco de plástico. Enquanto isso, uma mistura de prótons e raios X foi criada disparando lasers contra uma cápsula de hidrogênio e hélio que sofreu reações nucleares quando aquecida.

Os prótons e os raios X passaram por uma malha de níquel posicionada entre dois poderosos bobinas magnéticas. Agindo como uma extrusora de macarrão, a malha forçou a luz e as partículas a formar uma grade de pequenos feixes.

Distorcidos pelas próprias interações eletromagnéticas do plasma com o campo magnético externo, os feixes de prótons serviram como uma medida do caos interno.. Como os raios X passaram desimpedidos e sem distorções, eles forneceram um ponto de comparação para o comportamento dos prótons.

O que a equipe observou foi o campo magnético projetando-se para fora sob a pressão do plasma em expansão. À medida que o plasma continuava a penetrar no campo magnético, bolhas e espuma começaram a aparecer nas bordas, lembrando formas como cogumelos e colunas – muito parecido com o modo como o leite frio se agita e floresce quando você o deixa cair no café quente.

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“Durante a interação, muitas estruturas se formam onde os campos encontram o plasma porque existem diferenças drásticas na temperatura, densidade e força do campo magnético,” Malko explica. “É um lugar perfeito para eles crescerem.”

Finalmente, à medida que o plasma ficou sem energia, o campo magnético voltou à posição – o que por sua vez fez com que o plasma fluísse num jato longo, fino e colimado – como aqueles que irrompem de buracos negros.

Esse borbulhar e espumar nas bordas do plasma foi a parte verdadeiramente interessante, dizem os pesquisadores – um fenômeno conhecido como instabilidade magneto-Rayleigh-Taylor, uma forma de um conhecido instabilidade na dinâmica dos fluidoscom a diferença sendo o envolvimento do campo magnético.

“Quando fizemos o experimento e analisamos os dados, descobrimos que tínhamos algo grande”, Malko diz.

“Há muito se pensava que a observação de instabilidades magneto-Rayleigh Taylor decorrentes da interação de plasma e campos magnéticos ocorria, mas nunca havia sido observada diretamente até agora. Esta observação ajuda a confirmar que essa instabilidade ocorre quando o plasma em expansão encontra campos magnéticos. Não o fizemos. sabemos que nossos diagnósticos teriam esse tipo de precisão. Toda a nossa equipe está emocionada!”

A observação não tem implicações apenas para a astrofísica. Os plasmas contidos por campos magnéticos constituem a base de um tipo de reator de fusão que, esperam os físicos, poderá um dia fornecer energia limpa e eficiente.

Confinar o plasma dentro do campo magnético é um desafio; saber mais sobre como o plasma e os campos magnéticos interagem nos dá mais informações para aplicar na resolução de problemas futuros.

“Agora que medimos estas instabilidades com muita precisão, temos a informação que precisamos para melhorar os nossos modelos e potencialmente simular e compreender os jactos astrofísicos num grau mais elevado do que antes,” Malko diz. “É interessante que os humanos possam fazer algo num laboratório que normalmente existe no espaço.”

A pesquisa foi publicada em Pesquisa de revisão física.