Um experimento realizado aqui na Terra conseguiu reproduzir, em escala reduzida, um dos processos mais extremos da astrofísica.
Pesquisadores do Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) obtiveram jatos colimados que lembram aqueles expelidos por estrelas bebês e por buracos negros em fase de alimentação.
É claro que a versão de laboratório não chega perto do tamanho nem da potência dos jatos cósmicos, que podem se estender por milhões de anos-luz. Ainda assim, os resultados permitiram revelar, pela primeira vez, uma instabilidade do plasma que há muito era prevista e que ajuda a explicar como essas erupções se formam e são lançadas ao espaço a velocidades próximas à da luz.
"Esses experimentos mostram que campos magnéticos são muito importantes para a formação de jatos de plasma", diz o físico do PPPL Will Fox. "Agora que talvez tenhamos uma visão do que gera esses jatos, poderíamos, em teoria, estudar jatos astrofísicos gigantes e aprender algo sobre buracos negros."
Jatos astrofísicos e o enigma da sua origem
Os jatos astrofísicos ainda guardam muitos pontos obscuros. Em termos gerais, são fluxos longos e estreitos de plasma que disparam a partir dos polos de certos objetos do Universo, alinhados ao eixo de rotação.
No caso dos buracos negros, eles aparecem quando o buraco negro está se alimentando: a hipótese é que parte do material que gira ao redor do buraco negro é desviada e acelerada ao longo de linhas de campo magnético rumo aos polos, de onde é lançada na forma de jato.
Acredita-se que um mecanismo parecido também aconteça com estrelas bebês, que se alimentam de matéria de maneira semelhante. O problema é que os detalhes da formação do jato seguem desconhecidos - e isso representa uma lacuna relevante no nosso entendimento dos processos astrofísicos.
Foi nesse contexto que uma equipe liderada pela física do PPPL Sophia Malko passou a observar, em laboratório, um mecanismo que pode estar envolvido.
Como o PPPL recriou a interação entre plasma e campos magnéticos
O objetivo do grupo era investigar como campos magnéticos interagem com o plasma - um estado da matéria composto por partículas ionizadas. Para isso, eles recorreram a uma técnica chamada radiometria por prótons, que usa o desvio de partículas subatômicas com carga positiva para mapear padrões do campo magnético dentro do plasma.
O plasma foi gerado ao disparar um laser contra um disco fino de plástico. Ao mesmo tempo, um conjunto de prótons e raios X foi produzido quando lasers atingiram uma cápsula de hidrogênio e hélio, que passou por reações nucleares ao ser aquecida.
Em seguida, prótons e raios X atravessaram uma malha de níquel posicionada entre duas bobinas magnéticas muito potentes. Como uma extrusora de massa, a malha forçou a luz e as partículas a se organizarem numa grade de feixes minúsculos.
Deformados pelas interações eletromagnéticas do próprio plasma com o campo magnético externo, os feixes de prótons funcionaram como uma régua do grau de desordem no sistema. Já os raios X cruzaram o arranjo sem serem desviados nem distorcidos, servindo como referência para comparar o comportamento dos prótons.
Instabilidade magneto-Rayleigh-Taylor em ação
O que os pesquisadores viram foi o campo magnético se projetar para fora sob a pressão do plasma em expansão. À medida que o plasma continuou empurrando o campo magnético, começaram a surgir bolhas e uma espécie de "espuma" nas bordas, com formas que lembravam cogumelos e colunas - de modo parecido com o que acontece quando leite frio se agita e se espalha ao cair em café quente.
"Durante a interação, muitas estruturas se formam onde os campos encontram o plasma porque existem diferenças drásticas de temperatura, densidade e da intensidade do campo magnético", explica Malko. "É um lugar perfeito para elas crescerem."
Por fim, quando o plasma ficou sem energia, o campo magnético retornou bruscamente à posição original - e isso, por sua vez, fez o plasma escoar como um jato longo, fino e colimado, semelhante aos que irrompem de buracos negros.
Segundo os cientistas, o aspecto mais revelador foi justamente o borbulhamento e a "fervura" observados nas extremidades do plasma. Esse comportamento corresponde a uma instabilidade magneto-Rayleigh-Taylor, uma variação de uma instabilidade conhecida na dinâmica dos fluidos, com a diferença de envolver diretamente o campo magnético.
"Quando fizemos o experimento e analisamos os dados, descobrimos que tínhamos algo grande", afirma Malko.
"Observar instabilidades magneto-Rayleigh Taylor surgindo da interação entre plasma e campos magnéticos era algo que se acreditava há muito tempo que ocorria, mas nunca havia sido observado diretamente até agora. Essa observação ajuda a confirmar que essa instabilidade aparece quando o plasma em expansão encontra campos magnéticos. Não sabíamos que nossos diagnósticos teriam esse nível de precisão. Nossa equipe inteira está muito animada!"
O que isso pode significar para a astrofísica e para a fusão
A relevância do achado não se limita à astrofísica. Plasmas confinados por campos magnéticos são a base de um tipo de reator de fusão que os físicos esperam que, um dia, possa fornecer energia limpa e eficiente.
Manter o plasma preso dentro do campo magnético, porém, não é trivial; quanto mais se entende sobre a interação entre plasma e campos magnéticos, mais informação se ganha para atacar esses desafios no futuro.
"Agora que medimos essas instabilidades com muita precisão, temos as informações necessárias para melhorar nossos modelos e, potencialmente, simular e compreender jatos astrofísicos em um grau mais alto do que antes", diz Malko. "É interessante que seres humanos consigam fazer, em laboratório, algo que normalmente existe no espaço."
A pesquisa foi publicada na revista Revisão Física: Pesquisa.
Comentários
Ainda não há comentários. Seja o primeiro!
Deixar um comentário