A radiação misteriosa emitida de cantos distantes da galáxia poderia finalmente ser explicada com esforços para recriar um estado único da matéria que passou a existir nos primeiros momentos após o Big Bang.

Por 50 anos, os astrônomos ficaram intrigados com estranhas ondas de rádio e raios gama lançados dos remanescentes giratórios de estrelas mortas chamados pulsares.

Os pesquisadores acreditam que esses enigmáticos, pulsos de radiação altamente energéticos são produzidos por explosões de elétrons e seus gêmeos de antimatéria, pósitrons. O universo foi brevemente preenchido com esses superaquecidos, partículas eletricamente carregadas nos segundos que se seguiram ao Big Bang antes de toda a antimatéria desaparecer, levando os pósitrons com ele. Mas os astrofísicos acreditam que as condições necessárias para forjar pósitrons ainda podem existir nos poderosos campos elétricos e magnéticos gerados em torno dos pulsares.

"Esses campos são tão fortes, e eles se retorcem e se reconectam tão violentamente, que eles aplicam essencialmente a equação de Einstein de E =mc ² e criar matéria e antimatéria a partir da energia, "disse o Professor Luís Silva no Instituto Superior Técnico de Lisboa, Portugal. Juntos, Acredita-se que os elétrons e pósitrons formem uma forma superaquecida de matéria conhecida como plasma ao redor de um pulsar.

Mas as condições exatas necessárias para produzir um plasma contendo pósitrons permanecem obscuras. Os cientistas também ainda não entendem por que as ondas de rádio emitidas pelo plasma em torno dos pulsares têm propriedades semelhantes às da luz em um feixe de laser - uma estrutura de onda conhecida como coerência.

Descobrir, pesquisadores agora estão recorrendo a poderosas simulações de computador para modelar o que pode estar acontecendo. No passado, tais simulações têm se esforçado para imitar o número impressionante de partículas geradas em torno dos pulsares. Mas o Prof. Silva e sua equipe, junto com pesquisadores da Universidade da Califórnia, Los Angeles, nos Estados Unidos, adaptaram um modelo de computador chamado OSIRIS para que possa funcionar em supercomputadores, permitindo que ele siga bilhões de partículas simultaneamente.

O modelo atualizado, que faz parte do projeto InPairs, identificou as condições astrofísicas necessárias para que os pulsares gerem elétrons e pósitrons quando os campos magnéticos são separados e reconectados a seus vizinhos em um processo conhecido como reconexão magnética.

OSIRIS também previu que os raios gama liberados pelos elétrons e pósitrons conforme eles correm através de um campo magnético brilharão em jatos descontínuos ao invés de feixes suaves.

As descobertas adicionaram peso às teorias de que os sinais enigmáticos vindos dos pulsares são produzidos pela destruição dos elétrons à medida que eles se recombinam com os pósitrons nos campos magnéticos ao redor dessas estrelas mortas.

O Prof. Silva está agora usando os dados dessas simulações para pesquisar assinaturas de explosão semelhantes em observações astronômicas anteriores. Os padrões reveladores revelariam detalhes sobre como os campos magnéticos evoluem em torno dos pulsares, oferecendo novas pistas sobre o que está acontecendo dentro deles. Também ajudará a confirmar a validade do modelo OSIRIS para pesquisadores que tentam criar antimatéria em laboratório.

Lasers de detonação

As percepções obtidas com as simulações já estão sendo usadas para ajudar a projetar experimentos que usarão lasers de alta potência para imitar as enormes quantidades de energia liberadas pelos pulsares. A Extreme Light Infrastructure atingirá alvos não maiores do que um fio de cabelo humano com petawatts de potência do laser. Neste projeto, lasers estão em construção em três instalações pela Europa - em Măgurele, na Romênia, Szeged na Hungria, e Praga na República Tcheca. Se for bem sucedido, os experimentos podem criar bilhões de pares elétron-pósitrons.

"O OSIRIS está ajudando os pesquisadores a otimizar as propriedades do laser para criar matéria e antimatéria como os pulsares fazem, "disse o Prof. Silva." O modelo oferece um roteiro para experimentos futuros. "

Mas há alguns que estão tentando empunhar plasmas de matéria-antimatéria de maneiras ainda mais controladas, para que possam estudá-los.

Professor Thomas Sunn Pedersen, um físico aplicado do Instituto Max Planck de Física do Plasma em Garching, Alemanha, está usando placas de metal carregadas para confinar pósitrons ao lado de elétrons como um primeiro passo para a criação de um plasma de matéria-antimatéria em uma mesa.

Embora o Prof. Sunn Pedersen trabalhe com o feixe de pósitrons de baixa energia mais intenso do mundo, concentrar partículas suficientes para inflamar um plasma de matéria-antimatéria continua sendo um desafio. Os pesquisadores usam 'gaiolas' eletromagnéticas geradas sob vácuo para confinar a antimatéria, mas isso requer aberturas para as partículas serem injetadas dentro. Essas mesmas aberturas permitem que as partículas vazem de volta, Contudo, dificultando a formação de partículas suficientes para a formação de um plasma.

O Prof. Sunn Pedersen inventou um campo eletromagnético com um 'alçapão' que pode permitir a entrada de pósitrons antes de se fechar atrás deles. Ano passado, o novo design foi capaz de aumentar o tempo que as partículas de antimatéria permaneceram confinadas no campo por um fator de 20, segurando-os no lugar por mais de um segundo.

"Ninguém jamais conseguiu isso em uma armadilha totalmente magnética, "disse o Prof. Sunn Pedersen." Provamos que a ideia funciona. "

Mas manter essas partículas de antimatéria indescritíveis no lugar é apenas um marco para a criação de um plasma de matéria-antimatéria em laboratório. Como parte do projeto PAIRPLASMA, O Prof. Sunn Pedersen está agora aumentando a qualidade do vácuo e gerando o campo com um anel levitante para confinar pósitrons por mais de um minuto. O estudo das propriedades dos plasmas acionados sob essas condições oferecerá informações valiosas para campos vizinhos.

Em junho, por exemplo, O Prof. Sunn Pedersen usou uma variação desta armadilha magnética para estabelecer um novo recorde mundial em reações de fusão nuclear iniciadas em plasmas de matéria convencional.

"Fenômenos coletivos como turbulência atualmente complicam o controle sobre grandes plasmas de fusão, "disse o Prof. Sunn Pedersen." Muito disso é impulsionado pelo fato de que os íons são muito mais pesados ​​do que os elétrons neles. "

Ele espera que, ao produzir plasmas elétron-pósitron como os criados pelo Big Bang, pode ser possível contornar essa complicação porque elétrons e pósitrons têm exatamente a mesma massa. Se eles podem ser controlados, esses plasmas podem ajudar a validar modelos complexos e recriar as condições em torno dos pulsares para que possam ser estudados de perto no laboratório pela primeira vez.

Se for bem-sucedido, ele pode finalmente dar aos astrônomos as respostas que eles estavam intrigados por tanto tempo.

O que é um pulsar?

Descoberto pela primeira vez pela astrônoma Jocelyn Bell em 1967, pulsares são altamente magnetizados, remanescentes giratórios de estrelas que entraram em colapso no final de sua vida. Eles emitem feixes de raios gama e ondas de rádio que giram muito como a luz de um farol. Quando visto da Terra, isso dá a impressão de que a radiação chega em pulsos. Pensa-se que os intensos campos magnéticos em torno dessas estrelas mortas geram nuvens de partículas carregadas conhecidas como plasmas, que por sua vez geram a radiação.