Um grupo internacional de pesquisadores liderado pela Universidade de Oxford alcançou um marco mundial ao gerar “bolas de fogo” de plasma com o acelerador Super Proton Synchrotron no CERN, em Genebra. O objetivo deles foi investigar como os jatos de plasma de blazares distantes permanecem estáveis enquanto viajam pelo espaço.
Os resultados da equipe, publicados em 3 de novembro na PNAS, podem ajudar a resolver um grande mistério sobre os raios gama ausentes do Universo e seus vastos campos magnéticos invisíveis.
Blazares e o Enigma dos Raios Gama Ausentes
Blazares são um tipo de galáxia ativa alimentada por buracos negros supermassivos que emitem jatos poderosos e estreitos de partículas e radiação quase à velocidade da luz. Esses feixes liberam raios gama extremamente energéticos que podem alcançar vários teraeletronvolts (1 TeV = 1012 eV), os quais são detectados por observatórios terrestres.
À medida que esses raios gama de TeV viajam pelo espaço intergaláctico, eles interagem com a luz de fundo fraca proveniente de estrelas, produzindo cascatas de pares de elétrons e pósitrons. Esses pares deveriam então colidir com o fundo cósmico de micro-ondas, criando raios gama de menor energia (cerca de 109 eV, ou GeV). No entanto, telescópios espaciais de raios gama, como o satélite Fermi da NASA, não observaram esse sinal esperado. A causa dessa discrepância há muito tempo é desconhecida.
Cientistas propuseram duas explicações possíveis. Uma teoria sugere que campos magnéticos fracos entre as galáxias desviam os pares de elétrons e pósitrons, redirecionando os raios gama resultantes para longe da Terra. Outra, enraizada na física do plasma, propõe que os pares se tornam instáveis ao passar pelo gás fino que preenche o espaço intergaláctico. Nesse cenário, pequenas perturbações no plasma geram campos magnéticos e turbulência que drenam energia do feixe.
Recriando Condições Cósmicas em Laboratório
Para testar essas ideias, a equipe de pesquisa — que combina expertise da Oxford e do Centro de Laser da Science and Technology Facilities Council (STFC) — utilizou a configuração HiRadMat (High-Radiation to Materials) do CERN. Eles produziram feixes de pares de elétrons e pósitrons usando o Super Proton Synchrotron e os enviaram através de um plasma de um metro de comprimento. Este experimento serviu como uma simulação em pequena escala de como a cascata de pares de um blazar se move através da matéria intergaláctica.
Medindo a forma do feixe e os campos magnéticos que ele gerou, os pesquisadores puderam determinar se as instabilidades do plasma poderiam ser fortes o suficiente para interromper o fluxo do feixe.
Resultados Surpreendentes Indicando Campos Magnéticos Antigos
Os achados foram inesperados. Em vez de se desintegrar, o feixe de pares permaneceu focado e quase paralelo, mostrando muito pouca perturbação ou atividade magnética. Quando aplicado a escalas cósmicas, isso sugere que as instabilidades do plasma sozinhas são muito fracas para explicar os raios gama ausentes.
O resultado apoia a explicação alternativa — de que o meio intergaláctico contém um campo magnético residual da infância do Universo.
O pesquisador principal, Professor Gianluca Gregori (Departamento de Física, Universidade de Oxford) disse: “Nosso estudo demonstra como experimentos em laboratório podem ajudar a preencher a lacuna entre teoria e observação, aprimorando nossa compreensão de objetos astrofísicos a partir de telesópios de satélites e base terrestre. Também destaca a importância da colaboração entre instalações experimentais em todo o mundo, especialmente na quebra de novas barreiras no acesso a regimes físicos cada vez mais extremos.”
O Início do Universo e a Origem do Magnetismo
Os resultados levantam novas questões sobre como tal campo magnético poderia ter se formado. Acredita-se que o início do Universo tenha sido altamente uniforme, portanto, a existência de campos magnéticos daquela época é difícil de explicar. Os pesquisadores sugerem que a resposta pode envolver física além do Modelo Padrão. Observatórios futuros como o Observatório da Array de Telescópios Cherenkov (CTAO) devem fornecer dados mais precisos para explorar essas teorias.
O co-investigador Professor Bob Bingham (STFC Central Laser Facility e Universidade de Strathclyde) afirmou: “Esses experimentos demonstram como a astrofísica de laboratório pode testar teorias do universo de alta energia. Reproduzindo condições de plasma relativístico no laboratório, podemos medir processos que moldam a evolução de jatos cósmicos e entender melhor a origem dos campos magnéticos no espaço intergaláctico.”
O co-investigador Professor Subir Sarkar (Departamento de Física, Universidade de Oxford) acrescentou: “Foi muito divertido fazer parte de um experimento inovador como este, que adiciona uma nova dimensão à pesquisa de ponta sendo realizada no CERN — espero que nosso resultado marcante desperte o interesse na comunidade de plasma (astro)física para as possibilidades de investigar questões cósmicas fundamentais em um laboratório de física de alta energia terrestre.”
O projeto reuniu cientistas da Universidade de Oxford, do Centro de Laser da STFC (RAL), do CERN, do Laboratório para Energias a Laser da Universidade de Rochester, da AWE Aldermaston, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, do Instituto Max Planck para Física Nuclear, da Universidade da Islândia e do Instituto Superior Técnico em Lisboa.
