doi.org/10.1038/s41467-024-49346-2
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#Buraco Negro
A colaboração Fireball usou a instalação HiRadMat do CERN para produzir um análogo dos jatos de matéria e antimatéria que saem de alguns buracos negros e estrelas de nêutrons.
Nas instalações HiRadMat do CERN, os pesquisadores criaram um feixe de plasma de elétrons-pósitrons de alta densidade que imita jatos astrofísicos de buracos negros, fornecendo novos insights sobre fenômenos espaciais.
Estas experiências ajudam a validar modelos teóricos com dados do mundo real, abrindo caminho para uma compreensão mais profunda de eventos cósmicos como jatos de buracos negros.
Mergulhe no coração de uma galáxia ativa e você encontrará um buraco negro supermassivo devorando material ao seu redor.
Em cerca de uma em cada dez dessas galáxias, o buraco negro também emitirá jatos de matéria próximos à velocidade da luz.
Acredita-se que esses jatos relativísticos de buracos negros contenham, entre outros componentes, um plasma de pares de elétrons e seus equivalentes de antimatéria, os pósitrons.
Acredita-se que este plasma relativístico de elétrons-pósitrons molda a dinâmica e o orçamento de energia do buraco negro e de seu ambiente.
Mas como exatamente isso acontece permanece pouco compreendido, porque é difícil medir o plasma com observações astronômicas e simulá-lo com programas de computador.
Num artigo publicado recentemente na Nature Communications, Charles Arrowsmith e colegas da colaboração Fireball relatam como usaram a instalação HiRadMat no CERN para produzir um feixe relativístico de plasma electrão-pósitron que permite que este meio seja estudado detalhadamente em experiências de laboratório.
Replicação laboratorial de fenômenos astrofísicos
Feixes relativísticos de pares elétron-pósitron podem ser criados de diversas maneiras em diferentes tipos de laboratórios, incluindo instalações de laser de alta potência.
No entanto, nenhuma das formas existentes pode produzir o número de pares elétron-pósitron necessários para sustentar um plasma – um estado da matéria no qual as partículas constituintes estão frouxamente conectadas.
Sem sustentar o plasma, os investigadores não podem investigar como estes análogos dos jatos dos buracos negros mudam à medida que se movem através de um equivalente laboratorial do meio interestelar.
Esta investigação é fundamental para explicar as observações de telescópios terrestres e espaciais.
Arrowsmith e colegas encontraram uma maneira de atender a esses requisitos nas instalações HiRadMat do CERN.
Sua abordagem envolveu extrair, em apenas um nanossegundo, impressionantes trezentos bilhões de prótons do superpróton síncrotron do laboratório e dispará-los contra um alvo de grafite e tântalo, no qual uma cascata de interações de partículas gera um grande número de pares elétron-pósitron.
Implicações para a pesquisa astrofísica
Ao medir o feixe relativístico de elétron-pósitron resultante com um conjunto de instrumentos e comparar o resultado com sofisticadas simulações de computador, Arrowsmith e colaboradores mostraram que o número de pares elétron-pósitron no feixe – mais de dez trilhões – é dez a cem vezes maior do que o alcançado anteriormente, excedendo pela primeira vez o número necessário para manter o estado plasmático.
Acredita-se que os plasmas elétron-pósitrons desempenhem um papel fundamental nos jatos astrofísicos, mas simulações computacionais desses plasmas e jatos nunca foram testadas em laboratório,- diz Arrowsmith.
-Experiências de laboratório são necessárias para validar as simulações, porque o que parecem simplificações razoáveis dos cálculos envolvidos nas simulações pode por vezes levar a conclusões drasticamente diferentes.- O resultado é o primeiro de uma série de experiências que a colaboração Fireball está realizando em OláRadMat.
Direções futuras na astrofísica de laboratório
A ideia básica desses experimentos é reproduzir em laboratório a microfísica de fenômenos astrofísicos, como jatos de buracos negros e estrelas de nêutrons,- diz o coautor do artigo e pesquisador principal Gianluca Gregori.
O que sabemos sobre estes fenómenos provém quase exclusivamente de observações astronómicas e simulações computacionais, mas os telescópios não podem realmente investigar a microfísica e as simulações envolvem aproximações.
Experimentos de laboratório como esses são uma ponte entre essas duas abordagens.- O próximo passo nas buscas de plasma de Arrowsmith e colegas na HiRadMat é fazer com que esses jatos poderosos se propaguem através de um plasma de um metro de comprimento e observar como a interação entre eles gera campos magnéticos que aceleram as partículas nos jatos – um dos maiores enigmas da astrofísica de altas energias.
Os experimentos Fireball são uma das últimas adições ao portfólio da HiRadMat,- diz a gerente de operações da instalação, Alice Goillot.
Esperamos continuar a reproduzir estes fenómenos raros utilizando as propriedades únicas do complexo acelerador do CERN.- Para mais informações sobre esta investigação, consulte Mini-Universo num Laboratório: Criando Bolas de Fogo Cósmicas- na Terra.
Publicado em 07/07/2024 23h01
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