Em um experimento inédito, os cientistas recriaram “bolas de fogo cósmicas” aqui na Terra em um acelerador de partículas. O experimento teve como objetivo investigar a estabilidade de jatos de gás ou plasma de alta temperatura lançados na Terra alimentando motores galácticos supermassivos movidos por buracos negros, chamados blazares. Isto poderia, por sua vez, resolver o mistério dos campos magnéticos ocultos e da falta de raios gama de alta energia.
Cientistas da Universidade de Oxford e da Central Laser Facility (CLF) do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC) se uniram e recorreram ao Super Proton Synchrotron baseado na instalação HiRadMat (High-Radiation to Materials) do CERN para gerar pares elétron-pósitron. Eles então explodiram estes matéria-antimatéria pares de contrapartes através de 3,3 pés (1 metro) de plasma, recriando condições nos jatos de alimentação buracos negros supermassivos conhecido como blazares. Isto permitiu-lhes simular algumas das físicas mais extremas do universo.
Quais são as chamas?
Os blazares são um subconjunto de núcleos galácticos ativos (AGN), regiões centrais de galáxias que são dominadas pela alimentação voraz de buracos negros supermassivos com massas de milhões ou até bilhões de vezes a do Sol. Esses titãs cósmicos são cercados por nuvens achatadas de gás e poeira, chamadas discos de acreção, que brilham intensamente devido ao atrito gerado pela imensa influência gravitacional do buraco negro central.
Esses discos de acreção gradualmente deixam cair matéria na boca do buraco negro, mas nem todo o material que cerca os buracos negros é consumido. Poderosos campos magnéticos canalizam parte da matéria para os pólos do buraco negro, onde é acelerada até perto da velocidade da luz e expelida como jatos gêmeos colimados de plasma. Blazar é o nome dado aos AFNs que apontam um desses jatos de plasma direto para a Terra. Esses jatos produzem intensa radiação de raios gama, que pode ser detectada aqui na Terra por telescópios terrestres. Mas algo está faltando.
Quando esses raios gama atravessam o espaço intergaláctico, eles espalham fótons na luz de fundo das estrelas, criando matéria na forma de elétrons e antimatéria na forma de pósitrons. Esses pares matéria-antimatéria deve dispersão de um campo cósmico fóssil de radiação que preenche onipresentemente o cosmos, chamado de “fundo cósmico de microondas” ou “CMB”, que é um resquício de um evento que ocorreu logo após o Big Bang.
Esta dispersão deverá criar raios gama de baixa energia que poderiam ser captados por telescópios de raios gama baseados no espaço, como a sonda Fermi. No entanto, até agora, tal detecção de raios gama de baixa energia escapou a estes instrumentos.
Ajuda! Nossos raios gama estão faltando!
Existem algumas teorias sobre por que os raios gama de baixa energia podem estar “ausentes”. Uma ideia sugere que os pares electrão-pósitron são desviados por campos magnéticos intergalácticos fracos e que isto reflecte raios gama de baixa energia para fora da nossa linha de visão. Outra sugestão é que estes pares matéria-antimatéria se tornam instáveis à medida que viajam através da matéria extremamente escassa espalhada entre as galáxias. Isto poderia resultar em pequenas flutuações na corrente desses jatos que geram campos magnéticos que causam maior instabilidade. O resultado líquido seria a dissipação da energia do feixe. Outra possibilidade é que exista um campo magnético relíquia entre as galáxias que permanece do universo primitivo e perturba os raios gama de baixa energia.
Ao testar estes dois primeiros conceitos, a equipa de cientistas chegou a resultados muito esclarecedores e surpreendentes. A equipe esperava que o feixe se espalhasse e fosse interrompido. No entanto, o que eles realmente observaram foi um feixe que manteve a sua forma estreita com pouca perturbação e ausência de perturbação gerando campos magnéticos. As implicações disto são que as instabilidades do feixe de plasma são demasiado fracas para explicar a falta de raios gama de baixa energia. Isto poderia então apoiar a ideia de um campo magnético relíquia existente no meio intergaláctico, a matéria que flutua entre as galáxias.
As descobertas levantam questões adicionais. Em particular, como o universo primitivo era extremamente uniforme, não se sabe como tal relíquia poderia ter sido semeada no cosmos primordial. Responder a este enigma pode envolver a pesquisa de física além do Modelo Padrão, possivelmente usando instalações futuras como o Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).
“Foi muito divertido fazer parte de uma experiência inovadora como esta, que acrescenta uma nova dimensão à investigação de fronteira que está a ser feita no CERN – esperamos que o nosso resultado surpreendente desperte o interesse na comunidade da astrofísica de plasma para as possibilidades de sondar questões cósmicas fundamentais num laboratório terrestre de física de alta energia”, disse Subir Sarkar, membro da equipa e investigador da Universidade de Oxford.
A pesquisa da equipe foi publicada na segunda-feira (3 de novembro) na revista PNAS.
