Quando as estrelas explodem como supernovas, eles produzem ondas de choque no plasma que os rodeia. Tão poderosas são essas ondas de choque, eles podem atuar como aceleradores de partículas que lançam fluxos de partículas, chamados de raios cósmicos, para o universo quase à velocidade da luz. No entanto, como exatamente eles fazem isso permanece um mistério.

Agora, os cientistas desenvolveram uma nova maneira de estudar o funcionamento interno das ondas de choque astrofísicas, criando uma versão reduzida do choque no laboratório. Eles descobriram que os choques astrofísicos desenvolvem turbulência em escalas muito pequenas - escalas que não podem ser vistas por observações astronômicas - que ajuda a chutar os elétrons em direção à onda de choque antes de serem impulsionados até o final, velocidades incríveis.

"São sistemas fascinantes, mas porque eles estão tão distantes, é difícil estudá-los, "disse Frederico Fiuza, um cientista sênior da equipe do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, quem liderou o novo estudo. "Não estamos tentando fazer resquícios de supernova no laboratório, mas podemos aprender mais sobre a física dos choques astrofísicos e validar modelos. "

O problema da injeção

As ondas de choque astrofísicas em torno das supernovas não são diferentes das ondas de choque e explosões sônicas que se formam na frente dos jatos supersônicos. A diferença é que quando uma estrela explode, forma o que os físicos chamam de choque sem colisão no gás circundante de íons e elétrons livres, ou plasma. Em vez de se chocarem como as moléculas de ar fariam, elétrons e íons individuais são forçados de uma forma ou de outra por campos eletromagnéticos intensos dentro do plasma. No processo, pesquisadores descobriram, Os choques remanescentes de supernovas produzem fortes campos eletromagnéticos que lançam partículas carregadas através do choque várias vezes e as aceleram a velocidades extremas.

No entanto, há um problema. As partículas já precisam estar se movendo muito rápido para conseguir atravessar o choque em primeiro lugar, e ninguém sabe ao certo o que faz com que as partículas funcionem. A maneira óbvia de resolver esse problema, conhecido como o problema da injeção, seria estudar as supernovas e ver o que os plasmas que as cercam estão fazendo. Mas mesmo com as supernovas mais próximas a milhares de anos-luz de distância, é impossível simplesmente apontar um telescópio para eles e obter detalhes suficientes para entender o que está acontecendo.

Felizmente, Fiuza, sua colega de pós-doutorado Anna Grassi e colegas tiveram outra ideia:eles tentariam imitar as condições das ondas de choque de remanescentes de supernova no laboratório, algo que os modelos de computador de Grassi indicaram que poderia ser viável.

Mais significativamente, a equipe precisaria criar um rápido, onda de choque difusa que pode imitar choques remanescentes de supernovas. Eles também precisariam mostrar que a densidade e a temperatura do plasma aumentaram de maneira consistente com os modelos desses choques - e, claro, eles queriam entender se a onda de choque lançaria elétrons em velocidades muito altas.

Acendendo uma onda de choque

Para conseguir algo assim, a equipe foi para a National Ignition Facility, uma instalação de usuário do DOE no Laboratório Nacional Lawrence Livermore. Lá, os pesquisadores dispararam alguns dos lasers mais poderosos do mundo em um par de folhas de carbono, criando um par de fluxos de plasma que se dirigem diretamente um para o outro. Quando os fluxos se encontraram, observações ópticas e de raios-X revelaram todos os recursos que a equipe estava procurando, o que significa que eles produziram no laboratório uma onda de choque em condições semelhantes a um choque remanescente de supernova.

Mais importante, eles descobriram que, quando o choque foi formado, ele era realmente capaz de acelerar os elétrons até quase a velocidade da luz. Eles observaram as velocidades máximas dos elétrons que eram consistentes com a aceleração que esperavam com base nas propriedades de choque medidas. Contudo, os detalhes microscópicos de como esses elétrons alcançaram essas altas velocidades permaneceram obscuros.

Felizmente, os modelos podem ajudar a revelar alguns dos pontos delicados, tendo sido primeiro comparado com dados experimentais. "Não podemos ver os detalhes de como as partículas obtêm sua energia mesmo nos experimentos, muito menos em observações astrofísicas, e é aqui que as simulações realmente entram em jogo, "Disse Grassi.

De fato, o modelo do computador revelou o que pode ser uma solução para o problema da injeção de elétrons. Os campos eletromagnéticos turbulentos dentro da própria onda de choque parecem ser capazes de aumentar a velocidade dos elétrons até o ponto em que as partículas podem escapar da onda de choque e cruzar de volta para ganhar ainda mais velocidade, Disse Fiuza. Na verdade, o mecanismo que faz as partículas irem rápido o suficiente para cruzar a onda de choque parece ser bastante semelhante ao que acontece quando a onda de choque leva as partículas a velocidades astronômicas, apenas em uma escala menor.

Em direção ao futuro

As perguntas permanecem, Contudo, e em experimentos futuros, os pesquisadores farão medições detalhadas dos raios-X emitidos pelos elétrons no momento em que são acelerados para investigar como as energias dos elétrons variam com a distância da onda de choque. Este, Fiuza disse, irá restringir ainda mais suas simulações de computador e ajudá-los a desenvolver modelos ainda melhores. E talvez o mais significativo, eles também vão olhar para os prótons, não apenas elétrons, disparado pela onda de choque, dados que a equipe espera revelarão mais sobre o funcionamento interno desses aceleradores de partículas astrofísicas.

De forma geral, as descobertas podem ajudar os pesquisadores a ir além das limitações das observações astronômicas ou observações baseadas em espaçonaves dos choques mais moderados em nosso sistema solar. "Este trabalho abre uma nova maneira de estudar a física dos choques remanescentes de supernovas no laboratório, "Disse Fiuza.