Todos os dias, com pouca atenção, a Terra é bombardeada por partículas energéticas que derramam seus habitantes em uma poeira invisível de radiação, observado apenas pelo detector aleatório, ou astrônomo, ou físico anotando devidamente o seu falecimento. Essas partículas constituem, possivelmente, o resíduo galáctico de alguma supernova distante, ou o eco tangível de um pulsar. Esses são raios cósmicos.

Mas como essas partículas são produzidas? E onde eles encontram a energia para viajar sem ser contidos por distâncias imensas e obstáculos interestelares?

Essas são as perguntas que Frederico Fiuza vem perseguindo nos últimos três anos, por meio de projetos em andamento no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um Centro de usuários do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Um físico do SLAC National Accelerator Laboratory na Califórnia, Fiuza e sua equipe estão conduzindo investigações completas da física do plasma para discernir os processos fundamentais que aceleram as partículas. As respostas podem fornecer uma compreensão de como os raios cósmicos ganham sua energia e como mecanismos de aceleração semelhantes podem ser sondados em laboratório e usados ​​para aplicações práticas.

Embora o "como" da aceleração de partículas permaneça um mistério, o "onde" é um pouco melhor compreendido. "A radiação emitida pelos elétrons nos diz que essas partículas são aceleradas por processos de plasma associados a objetos astrofísicos energéticos, "diz Fiuza.

O universo visível está cheio de plasma, matéria ionizada formada quando o gás é superaquecido, separando elétrons de íons. Mais de 99 por cento do universo observável é feito de plasmas, e a radiação emitida por eles cria o belo, cores misteriosas que acentuam as nebulosas e outras maravilhas astronômicas.

A motivação para esses projetos veio de perguntar se era possível reproduzir condições semelhantes de plasma em laboratório e estudar como as partículas são aceleradas.

Lasers de alta potência, tais como aqueles disponíveis no Laboratório da Universidade de Rochester para Energética a Laser ou no National Ignition Facility no Lawrence Livermore National Laboratory, pode produzir potências de pico superiores a 1, 000 trilhões de watts. Nessas altas potências, lasers podem ionizar matéria instantaneamente e criar fluxos de plasma energéticos para os estudos desejados de aceleração de partículas.

Física íntima

Para determinar quais processos podem ser sondados e como conduzir experimentos de forma eficiente, A equipe de Fiuza recria as condições desses plasmas movidos a laser usando simulações em grande escala. Computacionalmente, ele diz, torna-se muito desafiador resolver simultaneamente para a grande escala do experimento e a física de muito pequena escala no nível de partículas individuais, onde esses fluxos produzem campos que, por sua vez, aceleram as partículas.

Como o intervalo de escalas é tão dramático, eles se voltaram para o poder petascale de Mira, o supercomputador Blue Gene / Q da ALCF, para executar as primeiras simulações 3-D desses cenários de laboratório. Para conduzir a simulação, eles usaram OSIRIS, um estado da arte, código de partícula na célula para modelar plasmas, desenvolvido pela UCLA e pelo Instituto Superior Técnico, em Portugal, onde Fiuza obteve seu doutorado.

Parte da complexidade envolvida na modelagem de plasmas é derivada do acoplamento íntimo entre as partículas e a radiação eletromagnética - as partículas emitem radiação e a radiação afeta o movimento das partículas.

Na primeira fase deste projeto, A equipe de Fiuza mostrou que uma instabilidade de plasma, a instabilidade de Weibel, é capaz de converter uma grande fração da energia dos fluxos de plasma em campos magnéticos. Eles mostraram uma forte concordância em uma comparação um-para-um dos dados experimentais com os dados de simulação 3D, que foi publicado em Física da Natureza , em 2015. Isso os ajudou a entender como os fortes campos necessários para a aceleração de partículas podem ser gerados em ambientes astrofísicos.

Fiuza usa o tênis como analogia para explicar o papel que esses campos magnéticos desempenham na aceleração de partículas em ondas de choque. A rede representa a onda de choque e as raquetes dos dois jogadores são semelhantes a campos magnéticos. Se os jogadores se moverem em direção à rede enquanto batem a bola entre si, a bola, ou partículas, acelerar rapidamente.

"O resultado final é, agora entendemos como os campos magnéticos são formados, fortes o suficiente para saltar essas partículas para frente e para trás para serem energizados. É um processo de várias etapas:você precisa começar gerando campos fortes - e encontramos uma instabilidade que pode gerar campos fortes do nada ou de flutuações muito pequenas - e então esses campos precisam espalhar as partículas com eficiência, "diz Fiuza.

Reconectando

Mas as partículas podem ser energizadas de outra maneira se o sistema fornecer os campos magnéticos fortes desde o início.

"Em alguns cenários, como pulsares, você tem amplitudes de campo magnético extraordinárias, "observa Fiuza." Pronto, você quer entender como a enorme quantidade de energia armazenada nesses campos pode ser transferida diretamente para as partículas. Nesse caso, não tendemos a pensar em fluxos ou choques como o processo dominante, mas sim reconexão magnética. "

Reconexão magnética, um processo fundamental em plasmas astrofísicos e de fusão, acredita-se ser a causa das erupções solares, ejeções de massa coronal, e outros eventos cósmicos voláteis. Quando campos magnéticos de polaridade oposta são reunidos, suas topologias são alteradas. As linhas do campo magnético se reorganizam de forma a converter a energia magnética em calor e energia cinética, causando uma reação explosiva que impulsiona a aceleração das partículas. Este foi o foco do projeto mais recente da Fiuza no ALCF.

Novamente, A equipe de Fiuza modelou a possibilidade de estudar esse processo em laboratório com plasmas movidos a laser. Para conduzir 3-D, simulações de primeiros princípios (simulações derivadas de suposições / previsões teóricas fundamentais), Fiuza precisava modelar dezenas de bilhões de partículas para representar o sistema de plasma magnetizado acionado por laser. Eles modelaram o movimento de cada partícula e então selecionaram as mil mais energéticas. O movimento dessas partículas foi rastreado individualmente para determinar como foram aceleradas pelo processo de reconexão magnética.

"O que é bastante surpreendente sobre esses aceleradores cósmicos é que muito, número muito pequeno de partículas carrega uma grande fração da energia no sistema, digamos 20 por cento. Então você tem essa energia enorme neste sistema astrofísico, e de algum processo milagroso, tudo vai para algumas partículas da sorte, "diz ele." Isso significa que o movimento individual das partículas e a trajetória das partículas são muito importantes. "

Os resultados da equipe, que foram publicados em Cartas de revisão física , em 2016, mostram que a reconexão conduzida por laser leva a uma forte aceleração de partículas. À medida que duas plumas de plasma em expansão interagem uma com a outra, eles formam uma fina folha atual, ou camada de reconexão, que se torna instável, quebrando em folhas menores. Durante este processo, o campo magnético é aniquilado e um forte campo elétrico é excitado na região de reconexão, acelerando elétrons de forma eficiente à medida que eles entram na região.

Fiuza espera que, como seu projeto anterior, esses resultados de simulação podem ser confirmados experimentalmente e abrir uma janela para esses misteriosos aceleradores cósmicos.