EUGENE KOWALUK / UNIV. DO LABORATÓRIO ROCHESTER PARA LASER ENERGÉTICO
Explosões “de bolso” no laboratório revelam detalhes das enormes explosões estelares
Quando um dos experimentos do Hye-Sook Park vai bem, todos por perto sabem. “Podemos ouvir Hye-Sook gritando”, ela ouviu colegas dizerem.
Não é nenhuma surpresa que ela não consiga conter sua empolgação. Ela está dando uma olhada em close na física de estrelas explodindo, ou supernovas, um fenômeno tão imenso que seu poder é difícil de expressar em palavras.
Em vez de estudar essas explosões à distância por meio de telescópios, Park, um físico do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, cria algo semelhante a essas explosões paroxísticas usando os lasers de maior energia do mundo.
Cerca de 10 anos atrás, Park e seus colegas embarcaram em uma busca para entender uma característica fascinante e mal compreendida das supernovas: as ondas de choque que se formam na esteira das explosões podem levar partículas, como prótons e elétrons, a energias extremas.
“Os choques de supernova são considerados alguns dos aceleradores de partículas mais poderosos do universo”, disse o físico de plasma Frederico Fiuza, do SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, Califórnia, um dos colaboradores de Park.
Algumas dessas partículas eventualmente se chocam com a Terra, após uma maratona acelerada através de distâncias cósmicas. Os cientistas há muito se perguntam como essas ondas dão às partículas energéticas seus enormes aumentos de velocidade. Agora, Park e seus colegas finalmente criaram uma onda de choque no estilo supernova no laboratório e a observaram enviar partículas, revelando possíveis novas dicas sobre como isso acontece no cosmos.
Trazer a física das supernovas para a Terra pode ajudar a resolver outros mistérios do universo, como as origens dos campos magnéticos cósmicos. E há uma razão mais existencial para os físicos serem fascinados por supernovas. Essas explosões fornecem alguns dos blocos de construção básicos necessários para nossa existência. “O ferro em nosso sangue vem de supernovas”, diz a física de plasma Carolyn Kuranz, da Universidade de Michigan em Ann Arbor, que também estuda supernovas em laboratório. “Somos literalmente criados a partir de estrelas.”
Estrela da sorte
Como estudante de graduação na década de 1980, Park trabalhou em um experimento a 600 metros no subsolo em uma mina de sal em funcionamento sob o Lago Erie, em Ohio. Chamado IMB de Irvine-Michigan-Brookhaven, o experimento não foi projetado para estudar supernovas. Mas os pesquisadores tiveram um golpe de sorte. Uma estrela explodiu em uma galáxia satélite da Via Láctea, e o IMB capturou partículas catapultadas daquela erupção. Esses mensageiros da explosão cósmica, partículas subatômicas leves chamadas neutrinos, revelaram uma grande quantidade de novas informações sobre as supernovas.
Mas as supernovas em nossa vizinhança cósmica são raras. Portanto, décadas depois, Park não está esperando por um segundo evento de sorte.
DA ESQUERDA: JOHN VAN DER VELDE; LANIE L. RIVERA / LAWRENCE LIVERMORE LABORATÓRIO NACIONAL
Em vez disso, sua equipe e outras pessoas estão usando lasers extremamente poderosos para recriar a física vista após as explosões de supernovas. Os lasers vaporizam um pequeno alvo, que pode ser feito de vários materiais, como o plástico. O golpe produz uma explosão de plasma em movimento rápido, uma mistura de partículas carregadas, que imita o comportamento do plasma em erupção de supernovas.
As explosões estelares são desencadeadas quando uma estrela massiva esgota seu combustível e seu núcleo entra em colapso e ricocheteia. As camadas externas da estrela explodem em uma explosão que pode liberar mais energia do que a que será liberada pelo Sol ao longo de sua vida de 10 bilhões de anos. A saída tem um valor insondável de 100 quintilhões de yottajoules de energia cinética.
Supernovas também podem ocorrer quando uma estrela morta chamada anã branca é reativada, por exemplo, após engolir gás de uma estrela companheira, causando uma explosão de reações nucleares que espiralam fora de controle.
NASA, CXC, MIT L. LOPEZ ET AL (X-RAY), PALOMAR (INFRAVERMELHO), VLA / NRAO / NSF (RADIO)
Em ambos os casos, as coisas realmente começam a cozinhar quando a explosão envia uma explosão de plasma para fora da estrela e para seus arredores, o meio interestelar – essencialmente, outro oceano de partículas de plasma. Com o tempo, uma estrutura turbulenta e em expansão chamada remanescente de supernova se forma, gerando um belo show de luzes, com dezenas de anos-luz de diâmetro, que pode persistir no céu por muitos milhares de anos após a explosão inicial. É aquele remanescente turbulento que Park e seus colegas estão explorando.
Estudar a física da supernova no laboratório não é exatamente a mesma coisa que o negócio real, por razões óbvias. “Não podemos realmente criar uma supernova em laboratório, caso contrário, estaríamos todos explodidos”, diz Park.
Em vez da auto-aniquilação, Park e outros se concentram em versões de supernovas que são reduzidas, tanto em tamanho quanto em tempo. E em vez de reproduzir uma supernova inteira de uma vez, os físicos tentam, em cada experimento, isolar componentes interessantes da física em andamento. Fora da imensa complexidade de uma supernova, “estamos estudando apenas um pouquinho disso, na verdade”, diz Park.
Para explosões no espaço, os cientistas estão à mercê da natureza. Mas no laboratório, “você pode alterar os parâmetros e ver como os choques reagem”, diz o astrofísico Anatoly Spitkovsky da Universidade de Princeton, que colabora com Park.
As explosões de laboratório acontecem em um instante e são minúsculas, com apenas alguns centímetros de diâmetro. Por exemplo, nos experimentos de Kuranz, o equivalente a 15 minutos na vida de uma supernova real pode levar apenas 10 bilionésimos de segundo. E uma seção de uma explosão estelar maior que o diâmetro da Terra pode ser reduzida a 100 micrômetros. “Os processos que ocorrem em ambos são muito semelhantes”, diz Kuranz. “Isso me deixa louco.”
Foco de laser
Para replicar a física de uma supernova, as explosões de laboratório devem criar um ambiente extremo. Para isso, você precisa de um laser realmente grande, que só pode ser encontrado em alguns lugares do mundo, como NIF, National Ignition Facility em Lawrence Livermore e OMEGA Laser Facility na Universidade de Rochester, em Nova York.
Em ambos os locais, um laser é dividido em vários feixes. O maior laser do mundo, no NIF, possui 192 feixes. Cada um desses feixes é amplificado para aumentar sua energia exponencialmente. Então, alguns ou todos esses feixes são direcionados a um alvo pequeno e cuidadosamente projetado. O laser do NIF pode fornecer mais de 500 trilhões de watts de energia por um breve instante, ultrapassando momentaneamente o uso total de energia nos Estados Unidos por um fator de mil.
Um único experimento no NIF ou OMEGA, chamado de tiro, é uma explosão do laser. E cada cena é uma grande produção. As oportunidades de usar essas instalações avançadas são escassas e os pesquisadores querem que todos os detalhes sejam resolvidos para ter certeza de que o experimento será um sucesso.
Quando um tiro está prestes a acontecer, há uma vibração de lançamento espacial. Os operadores monitoram as instalações de uma sala de controle cheia de telas. Quando a hora da explosão do laser se aproxima, uma voz começa a contagem regressiva: “Dez, nove, oito …”
“Quando eles fazem a contagem regressiva para a sua injeção, seu coração está batendo forte”, diz a física de plasma Jena Meinecke, da Universidade de Oxford, que trabalhou em experimentos no NIF e em outras instalações de laser.
No momento da foto, “você meio que quer que a Terra trema”, diz Kuranz. Mas, em vez disso, você pode apenas ouvir um estalo – o som da descarga de capacitores que armazenam grandes quantidades de energia para cada disparo.
Em seguida, vem uma corrida louca para revisar os resultados e determinar se o experimento foi bem-sucedido. “É muita adrenalina”, diz Kuranz.
LABORATÓRIO NACIONAL LAWRENCE LIVERMORE
Lasers não são a única maneira de investigar a física de supernova no laboratório. Alguns pesquisadores usam rajadas intensas de eletricidade, chamadas de energia pulsada. Outros usam pequenas quantidades de explosivos para detonar. As várias técnicas podem ser usadas para entender os diferentes estágios da vida das supernovas.
Um verdadeiro choque
Park transborda de níveis cósmicos de entusiasmo, pronto para explodir em resposta a uma nova pepita de dados ou a um novo sucesso em seus experimentos. Recriar parte da física de uma supernova no laboratório é realmente tão notável quanto parece, diz ela. “Do contrário, não estaria trabalhando nisso.” Junto com Spitkovsky e Fiuza, Park está entre mais de uma dúzia de cientistas envolvidos na colaboração Astrophysical Collisionless Shock Experiments com Lasers, ou ACSEL, a missão que Park iniciou há uma década. Seu foco são as ondas de choque.
Resultado de uma entrada violenta de energia, as ondas de choque são marcadas por um aumento abrupto de temperatura, densidade e pressão. Na Terra, as ondas de choque causam o estrondo sônico de um jato supersônico, o estrondo de um trovão em uma tempestade e a onda de pressão prejudicial que pode estilhaçar janelas após uma explosão massiva. Essas ondas de choque se formam quando as moléculas de ar se chocam umas com as outras, acumulando moléculas em ondas de alta densidade, alta pressão e alta temperatura.
Em ambientes cósmicos, as ondas de choque ocorrem não no ar, mas no plasma, uma mistura de prótons, elétrons e íons, átomos eletricamente carregados. Lá, as partículas podem ser difusas o suficiente para que não colidam diretamente como fazem no ar. Em tal plasma, o acúmulo de partículas acontece indiretamente, o resultado de forças eletromagnéticas empurrando e puxando as partículas. “Se uma partícula muda de trajetória, é porque sente um campo magnético ou um campo elétrico”, diz Gianluca Gregori, um físico da Universidade de Oxford que faz parte do ACSEL.
Mas exatamente como esses campos se formam e crescem, e como ocorre essa onda de choque, tem sido difícil de decifrar. Os pesquisadores não têm como ver o processo em supernovas reais; os detalhes são pequenos demais para serem observados com telescópios.
Essas ondas de choque, conhecidas como ondas de choque sem colisão, fascinam os físicos. “As partículas nesses choques podem atingir energias incríveis”, diz Spitkovsky. Nos remanescentes de supernova, as partículas podem ganhar até 1.000 trilhões de elétron-volts, ultrapassando amplamente os vários trilhões de elétron-volts alcançados no maior acelerador de partículas feito pelo homem, o Grande Colisor de Hádrons, perto de Genebra. Mas como as partículas podem surfar ondas de choque de supernova para atingir suas energias surpreendentes, permanece um mistério.
Downsizing
Resquícios de supernovas e experimentos de laser exibem a mesma física, apesar de serem muito diferentes em suas propriedades, incluindo seu tamanho, velocidade das ondas de choque e temperatura e densidade de suas partículas eletricamente carregadas, ou plasma.
| Remanescente típico de supernova | Experimentos de laser NIF | |
| Diâmetro | 300.000.000.000.000 quilômetros | 2,5 centímetros |
| Velocidade da onda de choque | 3.000 a 5.000 quilômetros / segundo | 1.000 a 2.000 quilômetros / segundo |
| Temperatura do plasma | 11.000 ° Celsius | 5.800.000 ° Celsius |
| Densidade do plasma | 0,2 partículas por centímetro cúbico | 50.000.000.000.000.000.000 partículas por centímetro cúbico |
Fonte: F. Fiuza et al / Nature Physics 2020
Origens do campo magnético
Para entender como as ondas de choque da supernova impulsionam as partículas, você precisa entender como as ondas de choque se formam nos remanescentes da supernova. Para chegar lá, você precisa entender como surgem campos magnéticos fortes. Sem eles, a onda de choque não pode se formar.
Os campos elétricos e magnéticos estão intimamente ligados. Quando as partículas eletricamente carregadas se movem, elas formam minúsculas correntes elétricas, que geram pequenos campos magnéticos. E os próprios campos magnéticos enviam partículas carregadas em espiral, curvando suas trajetórias. Campos magnéticos em movimento também criam campos elétricos.
O resultado é um processo de feedback complexo de partículas e campos empurrando, eventualmente produzindo uma onda de choque. “É por isso que é tão fascinante. É uma estrutura que se auto-modula, se auto-controla e se auto-reproduz”, diz Spitkovsky. “É como se estivesse quase vivo.”
Toda essa complexidade pode se desenvolver somente após a formação de um campo magnético. Mas os movimentos aleatórios de partículas individuais geram apenas campos magnéticos pequenos e transitórios. Para criar um campo significativo, algum processo dentro de um remanescente de supernova deve reforçar e amplificar os campos magnéticos. Há muito se esperava que um processo teórico denominado instabilidade de Weibel, pensado pela primeira vez em 1959, fizesse exatamente isso.
Em uma supernova, o plasma que flui para fora na explosão encontra o plasma do meio interestelar. De acordo com a teoria por trás da instabilidade de Weibel, os dois conjuntos de plasma se dividem em filamentos à medida que fluem um pelo outro, como duas mãos com dedos entrelaçados. Esses filamentos agem como fios condutores de corrente. E onde há corrente, há um campo magnético. Os campos magnéticos dos filamentos fortalecem as correntes, aumentando ainda mais os campos magnéticos. Os cientistas suspeitaram que os campos eletromagnéticos poderiam se tornar fortes o suficiente para redirecionar e desacelerar as partículas, fazendo com que elas se acumulassem em uma onda de choque.
Em 2015 na Nature Physics, a equipe ACSEL relatou um vislumbre da instabilidade de Weibel em um experimento na OMEGA. Os pesquisadores detectaram campos magnéticos, mas não detectaram diretamente os filamentos da corrente. Finalmente, este ano, nas Cartas de Revisão Física de 29 de maio, a equipe relatou que um novo experimento havia produzido as primeiras medições diretas das correntes que se formam como resultado da instabilidade de Weibel, confirmando as idéias dos cientistas sobre como fortes campos magnéticos podem se formar em remanescentes de supernovas.
Para esse novo experimento, também na OMEGA, os pesquisadores do ACSEL dispararam sete lasers cada um em dois alvos frente a frente. Isso resultou em dois fluxos de plasma fluindo um em direção ao outro a até 1.500 quilômetros por segundo – uma velocidade rápida o suficiente para dar a volta na Terra duas vezes em menos de um minuto. Quando os dois fluxos se encontraram, eles se separaram em filamentos de corrente, exatamente como esperado, produzindo campos magnéticos de 30 tesla, cerca de 20 vezes a força dos campos magnéticos em muitas máquinas de ressonância magnética.
“O que encontramos foi basicamente uma imagem de livro que já existe há 60 anos e agora finalmente fomos capazes de vê-la experimentalmente”, diz Fiuza.
Surfando uma onda de choque
Depois que os pesquisadores viram os campos magnéticos, o próximo passo foi criar uma onda de choque e observá-la acelerando as partículas. Mas, diz Park, “não importa o quanto tentamos OMEGA, não conseguimos criar o choque”.
Eles precisavam do National Ignition Facility e seu laser maior.
Lá, os pesquisadores atingiram dois alvos em forma de disco com 84 feixes de laser cada, ou quase meio milhão de joules de energia, quase o mesmo que a energia cinética de um carro inclinado em uma rodovia a 60 milhas por hora.
Dois fluxos de plasma surgiram um em direção ao outro. A densidade e a temperatura do plasma aumentaram onde os dois colidiram, relataram os pesquisadores na edição de setembro da Nature Physics. “Não há dúvida sobre isso”, diz Park. O grupo tinha visto uma onda de choque, especificamente do tipo sem colisão encontrada em supernovas. Na verdade, houve duas ondas de choque, cada uma se afastando da outra.
Pulso de potência
Em um experimento recente no NIF, os cientistas treinaram lasers em dois alvos. Duas correntes de plasma emergiram, produzindo ondas de choque (centro da ilustração) onde as correntes de plasma se encontraram.
Saber dos resultados gerou um momento de celebração alegre, diz Park: cumprimente todos.
“Esta é uma das primeiras evidências experimentais da formação desses choques sem colisão”, diz o físico de plasma Francisco Suzuki-Vidal, do Imperial College London, que não esteve envolvido no estudo. “Isso é algo realmente difícil de reproduzir em laboratório”.
A equipe também descobriu que os elétrons foram acelerados pelas ondas de choque, atingindo energias mais de 100 vezes mais altas do que as das partículas do plasma ambiente. Pela primeira vez, os cientistas observaram partículas surfando em ondas de choque como as encontradas em remanescentes de supernovas.
Mas o grupo ainda não entendia como isso estava acontecendo.
Em um remanescente de supernova e no experimento, um pequeno número de partículas é acelerado ao cruzar a onda de choque, indo e voltando repetidamente para acumular energia. Mas, para cruzar a onda de choque, os elétrons precisam de alguma energia para começar. É como um surfista de ondas grandes tentando pegar um swell enorme, diz Fiuza. Não há como pegar uma onda tão grande simplesmente remando. Mas com a energia fornecida por um jet ski rebocando os surfistas, eles podem aproveitar a energia da onda e surfar.
F. LABORATÓRIO NACIONAL DE ACELERADORES FIUZA / SLAC
“O que estamos tentando entender é: Qual é o nosso Jet Ski? O que acontece neste ambiente que permite que esses minúsculos elétrons se tornem energéticos o suficiente para que possam pegar essa onda e ser acelerados no processo?” Diz Fiuza.
Os pesquisadores realizaram simulações de computador que sugeriram que a onda de choque tem uma região de transição na qual os campos magnéticos se tornam turbulentos e confusos. Isso sugere que o campo turbulento é o Jet Ski: algumas das partículas se espalham nele, dando-lhes energia suficiente para cruzar a onda de choque.
Despertar
Enormes instalações de laser, como NIF e OMEGA, são normalmente construídas para estudar a fusão nuclear – a mesma fonte de energia que alimenta o sol. Usar lasers para comprimir e aquecer um alvo pode fazer com que os núcleos se fundam, liberando energia no processo. A esperança é que tais pesquisas possam levar a usinas de fusão, que poderiam fornecer energia sem emitir gases de efeito estufa ou resíduos nucleares perigosos (SN: 4/20/13, p. 26). Mas, até agora, os cientistas ainda precisam extrair mais energia da fusão do que colocam – uma necessidade para a geração de energia prática.
Portanto, essas instalações de laser dedicam muitos de seus experimentos à busca da energia de fusão. Mas às vezes, pesquisadores como Park têm a chance de estudar questões baseadas não na solução da crise energética mundial, mas na curiosidade – imaginando o que acontece quando uma estrela explode, por exemplo. Ainda assim, de forma indireta, entender as supernovas também poderia ajudar a tornar a energia de fusão uma realidade, já que o plasma celestial exibe alguns dos mesmos comportamentos que o plasma em reatores de fusão.
No NIF, Park também trabalhou em experimentos de fusão. Ela estudou uma ampla variedade de tópicos desde seus dias de pós-graduação, desde trabalhar no programa de defesa antimísseis “Guerra nas Estrelas” dos Estados Unidos, a projetar uma câmera para um satélite enviado à lua, a procurar fontes de luz cósmica de alta energia flares chamados explosões de raios gama. Embora ela seja apaixonada por cada tópico, “de todos esses projetos”, diz ela, “este projeto específico de choque sem colisão passa a ser meu amor.”
No início de sua carreira, de volta à experiência na mina de sal, Park teve o primeiro gostinho da emoção da descoberta. Mesmo antes de o IMB capturar neutrinos de uma supernova, um neutrino diferente e inesperado apareceu no detector. A partícula havia passado por toda a Terra para chegar ao experimento de baixo. Park encontrou o neutrino enquanto analisava os dados às 4 da manhã e acordou todos os seus colaboradores para contar a eles sobre isso. Foi a primeira vez que alguém trabalhando no experimento viu uma partícula vindo de baixo. “Ainda me lembro claramente da época em que estava vendo algo que ninguém viu”, lembra Park.
Agora, ela diz, ela ainda tem a mesma sensação. Gritos de alegria explodem quando ela vê algo novo que descreve a física de explosões inimaginavelmente vastas.
Publicado em 15/11/2020 13h28
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