Lasers acendem “supernovas” em laboratório

Feixes de laser iluminam uma pequena haste de carvão e lançam um choque assimétrico dentro de uma câmara cheia de gás argônio. O choque e o fluxo turbulento são capturados pela técnica de imagem Schlieren (tons de azul-preto). A densidade de elétrons previsto por simulações de computador (tons de azul-vermelho) é sobreposta. (Cortesia: Universidade de Oxford/Universidade de Chicago).
Artigo traduzido de Physics World.

Uma das instalações do laser mais poderoso do mundo tem sido usada para criar versões minúsculas de explosões de supernovas em laboratório. O objetivo da pesquisa, que tem sido feita por uma equipe internacional de físicos, é obter perspectivas sobre um dos eventos mais energéticos e imprevisíveis no universo. Os pesquisadores também tem a esperança de que seus experimentos possam levar a uma melhor compreensão do papel desempenhado pela turbulência cósmica na criação de poderosos campos magnéticos visto em alguns remanescentes atípicos de supernova, como a Cassiopeia A.

Supernovas são explosões estelares massivas que são provocadas quando o combustível dentro de uma estrela reacende ou seu núcleo entra em colapso sob forças gravitacionais extremas. A explosão expele a maioria do material da estrela, que por sua vez envia uma onda de choque que atravessa longas distâncias no espaço interestelar. A onda de choque se liga a maioria dos materiais ejetados de estrelas e poeira em seu caminho, criando o que é conhecido como um remanescente de supernova (SNR). Enquanto a maioria dos SNRs têm características tipo conchas regulares, alguns, como Cassiopeia A, têm formas inexplicáveis ​​e irregulares. O SNR Cassiopeia A está a cerca de 11.000 anos-luz da Terra e sua primeira luz alcançou nosso planeta há 300 anos. Imagens ópticas da explosão revelam características irregulares “intrincadas”, enquanto raios-X e observações de rádio mostram a presença de campos magnéticos 100 vezes mais forte do que aqueles no meio interestelar circundante.



Choque atado

São essas esquisitices de Cassiopeia A que chamaram a atenção do físico de plasma Gianluca Gregori da Universidade de Oxford e sua equipe internacional de pesquisadores. Gregori contou a physicsworld.com que o conceito inicial para o estudo veio de conversas com os astrônomos sobre os problemas em compreender a formação de campos magnéticos no universo. “Durante uma pausa para o café, começamos a perceber que talvez devêssemos tentar realizar um experimento de laboratório para ver se encontramos o que achamos que está acontecendo”, eu disse.

Embora a origem do grande campo magnético no interior do Cassiopeia A é ainda desconhecida, uma possibilidade é que a onda de choque pudesse ter passado por uma região do espaço preenchida por agrupamentos densos ou nuvens de gás. “Em Cassiopeia A, a provável explicação propôs que o formato irregular é causado pelo choque da supernova sendo perturbada e fragmentada por densas nuvens que rodeiam a estrela”, diz Gregori.

Para testar essa ideia Gregori e seus colegas decidiram recriar um bang ligeiramente menor, elaborando um método baseado em laboratório para investigar essa turbulência. “Isso pode soar surpreendente que um experimento de laboratório que se encaixa dentro de uma sala média pode ser usado para estudar objetos astrofísicos que têm de anos-luz de diâmetro”, diz Gregori. Os pesquisadores usaram as instalações do laser Vulcan do Rutherford Appleton Laboratory. “Nossa equipe começou concentrando três feixes de laser em um alvo de haste de carbono, não muito mais espesso do que um fio de cabelo, em uma câmara cheia de gás de baixa densidade”, diz Jena Meinecke, uma estudante de pós-graduação da Universidade de Oxford que liderou o experimento. Quando a haste é aquecida a uma temperatura de poucos milhões de graus Kelvin, ela explode. Isso cria uma onda de choque assimétrica que se expande para fora, através do gás argônio, assim como uma supernova real no espaço.

Fluxos turbulentos

Nos experimentos, os aglomerados densos de gás ou nuvens que estariam cercando uma estrela explodindo foi simulado colocando uma grade de plástico a 1cm do alvo. Isso perturba a frente de choque e resulta em fluxo turbulento. O choque e o fluxo turbulento são capturados 300 bilionésimos de segundo após o tiro de laser, usando uma técnica especial de imagem.

Gregori menciona que a equipe teve sorte que seu experimento meticulosamente planejado funcionou perfeitamente no tempo disponível na instalação do Vulcan. “Às vezes, mesmo quando você se prepara por meses, você encontra problemas. Desta vez, todos os diagnósticos e a equipe foram fantásticas”, ele exala, ressaltando que o acesso ao laser é bastante competitivo.

Os pesquisadores descobriram que, como a onda de choque se moveu através da grade, a turbulência e as características irregulares começaram a aparecer. “Nós descobrimos que o campo magnético é maior com a grade do que sem ela”, diz Gregori, explicando que o resultado “é consistente com ambas as observações e modelos numéricos de uma onda de choque que passa através de ‘agrupamento’ médio”. Como os campos magnéticos mais altos implicam uma geração mais eficiente de rádio e fótons de raios-X, os resultados da equipe põem em questão a noção atualmente aceita de que explosões de supernovas expandem uniformemente em material interestelar.

Gregori que aponta a pesquisa tem um impacto sobre mais do que apenas SNRs, porque a ampliação do campo magnético via turbulência se aplica a muitos sistemas astrofísicos. “Sabemos que há campos magnéticos, mas não sabemos como eles chegaram lá em primeiro lugar. O mecanismo padrão invocado normalmente é que pequenas “sementes” de campo foram produzida logo após o Big Bang e então esses campos foram amplificados pela turbulência”.