Vastos eventos interestelares onde nuvens de matéria carregada se chocam umas com as outras e expelem partículas de alta energia agora foram reproduzidas em laboratório com alta fidelidade. O trabalho, por pesquisadores do MIT e uma equipe internacional de colegas, deve ajudar a resolver disputas de longa data sobre exatamente o que ocorre nesses choques gigantescos.

Muitos dos eventos de maior escala, como a bolha de matéria em expansão saindo de uma supernova, envolvem um fenômeno chamado choque sem colisão. Nessas interações, as nuvens de gás ou plasma são tão rarefeitas que a maioria das partículas envolvidas realmente se perdem, mas eles interagem eletromagneticamente ou de outras maneiras para produzir ondas de choque e filamentos visíveis. Esses eventos de alta energia têm sido até agora difíceis de reproduzir em condições de laboratório que refletem aqueles em um ambiente astrofísico, levando a divergências entre os físicos quanto aos mecanismos em ação nesses fenômenos astrofísicos.

Agora, os pesquisadores conseguiram reproduzir as condições críticas desses choques sem colisão em laboratório, permitindo o estudo detalhado dos processos que ocorrem dentro dessas colisões cósmicas gigantes. As novas descobertas são descritas no jornal Cartas de revisão física , em um artigo de Chikang Li, cientista de pesquisa sênior do MIT Plasma Science and Fusion Center, cinco outros no MIT, e 14 outras ao redor do mundo.

Praticamente toda a matéria visível no universo está na forma de plasma, uma espécie de sopa de partículas subatômicas onde elétrons carregados negativamente nadam livremente junto com íons carregados positivamente em vez de estarem conectados uns aos outros na forma de átomos. O sol, as estrelas, e a maioria das nuvens de material interestelar são feitas de plasma.

A maioria dessas nuvens interestelares são extremamente tênues, com densidade tão baixa que colisões verdadeiras entre suas partículas constituintes são raras, mesmo quando uma nuvem se choca com outra em velocidades extremas que podem ser muito mais rápidas do que 1, 000 quilômetros por segundo. No entanto, o resultado pode ser uma onda de choque espetacularmente brilhante, às vezes mostrando muitos detalhes estruturais, incluindo longos filamentos.

Os astrônomos descobriram que muitas mudanças ocorrem nesses limites de choque, onde os parâmetros físicos "saltam, "Li diz. Mas decifrar os mecanismos que ocorrem em choques sem colisão tem sido difícil, já que a combinação de velocidades extremamente altas e baixas densidades tem sido difícil de igualar na Terra.

Embora choques sem colisão tenham sido previstos anteriormente, o primeiro que foi identificado diretamente, na década de 1960, foi o choque de proa formado pelo vento solar, um tênue fluxo de partículas emanando do sol, quando atinge o campo magnético da Terra. Breve, muitos desses choques foram reconhecidos por astrônomos no espaço interestelar. Mas nas décadas seguintes, "tem havido muitas simulações e modelagem teórica, mas falta de experimentos "para entender como funcionam os processos, Li diz.

Li e seus colegas encontraram uma maneira de imitar o fenômeno em laboratório, gerando um jato de plasma de baixa densidade usando um conjunto de seis feixes de laser poderosos, nas instalações de laser da OMEGA na Universidade de Rochester, e mirando em um saco plástico de poliimida de parede fina cheio de gás hidrogênio de baixa densidade. Os resultados reproduziram muitas das instabilidades detalhadas observadas no espaço profundo, confirmando assim que as condições correspondem o suficiente para permitir detalhes, estudo de perto desses fenômenos indescritíveis. Uma quantidade chamada de caminho livre médio das partículas de plasma foi medida como sendo muito maior do que a largura das ondas de choque, Li diz, atendendo assim à definição formal de um choque sem colisão.

No limite do choque sem colisão gerado pelo laboratório, a densidade do plasma aumentou dramaticamente. A equipe foi capaz de medir os efeitos detalhados nos lados a montante e a jusante da frente de choque, permitindo-lhes começar a diferenciar os mecanismos envolvidos na transferência de energia entre as duas nuvens, algo que os físicos passaram anos tentando descobrir. Os resultados são consistentes com um conjunto de previsões baseadas em algo chamado mecanismo de Fermi, Li diz, mas mais experimentos serão necessários para descartar definitivamente alguns outros mecanismos que foram propostos.

"Pela primeira vez, fomos capazes de medir diretamente a estrutura" de partes importantes do choque sem colisão, Li diz. "As pessoas vêm perseguindo isso há várias décadas."

A pesquisa também mostrou exatamente quanta energia é transferida para as partículas que passam pelo limite de choque, que os acelera a velocidades que são uma fração significativa da velocidade da luz, produzindo o que é conhecido como raios cósmicos. Uma melhor compreensão deste mecanismo "foi o objetivo deste experimento, e foi isso que medimos ", diz Li, observando que eles capturaram um espectro completo das energias dos elétrons aceleradas pelo choque.

"Este relatório é a última parcela de uma série de experimentos transformadores, relatado anualmente desde 2015, para emular uma onda de choque astrofísica real para comparação com observações espaciais, "diz Mark Koepke, professor de física na West Virginia University e presidente do Omega Laser Facility User Group, que não estava envolvido no estudo. "Simulações de computador, observações espaciais, e esses experimentos reforçam as interpretações físicas que estão avançando nossa compreensão dos mecanismos de aceleração de partículas em jogo em eventos cósmicos de alta densidade de energia, como fluxos de plasma relativístico induzidos por explosão de raios gama. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.