Ondas de choque de alta energia impulsionadas por explosões solares e ejeções de massa coronal de plasma do sol irrompem em todo o sistema solar, desencadeando tempestades espaciais magnéticas que podem danificar satélites, interromper o serviço de telefonia celular e bloquear as redes de energia na Terra. Também impulsionando ondas de alta energia está o vento solar - plasma que flui constantemente do sol e atinge o campo magnético protetor da Terra.

Agora, experimentos conduzidos por pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Princeton Center for Heliophysics reproduziram pela primeira vez o processo por trás da fonte de tais choques. As descobertas preenchem a lacuna entre as observações de laboratório e de espaçonaves e avançam na compreensão de como o universo funciona.

Saltos repentinos

Os experimentos, relatado em Cartas de revisão física , mostram como a interação do plasma - o estado da matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos, ou íons - podem causar saltos repentinos na pressão do plasma e na força do campo magnético que podem acelerar as partículas a uma velocidade próxima à da luz. Esses choques são "sem colisão" porque são formados pela interação de ondas e partículas de plasma, e não por colisões entre as próprias partículas.

A pesquisa produziu medições de toda a preparação para os choques. "A medição direta é uma maneira elegante de ver como as partículas estão se movendo e interagindo, "disse o físico Derek Schaeffer, do PPPL e da Universidade de Princeton, quem liderou a pesquisa. "Nosso artigo mostra que podemos empregar um diagnóstico poderoso para estudar os movimentos das partículas que levam aos choques."

A pesquisa, conduzido na instalação de laser Omega na Universidade de Rochester, produziu um plasma movido a laser - chamado plasma de "pistão" - que se expandiu a uma taxa supersônica de mais de um milhão de milhas por hora através de um plasma ambiente pré-existente. A expansão acelerou os íons no plasma ambiente a velocidades de cerca de meio milhão de milhas por hora, simulando o precursor de choques sem colisão que ocorrem em todo o cosmos.

A pesquisa se desdobrou em várias etapas:

• Primeiro, a criação do plasma de pistão reproduziu os plasmas supersônicos que se formam no espaço sideral. O pistão agia como um limpa-neve, varrendo íons no plasma ambiente embutidos em um campo magnético.
• À medida que mais desses íons eram varridos, eles formaram uma barreira que impediu o pistão de agir mais. "Depois de acumular 'neve' suficiente, o choque se desacopla do pistão, "Schaeffer disse.
• O pistão interrompido transferiu a formação do choque para o plasma magnetizado altamente comprimido, que deu origem ao salto repentino sem colisão.

Os pesquisadores usaram um diagnóstico chamado espalhamento de Thompson para rastrear esses desenvolvimentos. O diagnóstico detecta a luz do laser espalhada pelos elétrons no plasma, permitindo a medição da temperatura e densidade dos elétrons e da velocidade do fluxo de íons. Os resultados, os autores escrevem, mostram que experimentos de laboratório podem sondar o comportamento de partículas de plasma no precursor de choques astrofísicos sem colisão, "e pode complementar, e, em alguns casos, superar as limitações de medições semelhantes realizadas por missões espaciais. "

Objetivo final

Embora esta pesquisa tenha reproduzido o processo que desencadeia choques, o objetivo final é medir as próprias partículas com aceleração de choque. Para essa etapa, disse Schaeffer, "o mesmo diagnóstico pode ser usado assim que desenvolvermos a capacidade de gerar choques fortes o suficiente. Como bônus, " ele adiciona, "este diagnóstico é semelhante a como as espaçonaves medem os movimentos das partículas em choques espaciais, para que os resultados futuros possam ser comparados diretamente. "