Por cerca de 20 anos, Paul Bellan, professor de física aplicada da Caltech, e seu grupo vêm criando jatos de plasma magneticamente acelerados, um gás eletricamente condutor composto de íons e elétrons, em uma câmara de vácuo grande o suficiente para conter uma pessoa. (Sinais de néon e relâmpagos são exemplos cotidianos de plasma).



Nessa câmara de vácuo, fragmentos de gás são ionizados por vários milhares de volts. Então, 100.000 amperes fluem através do plasma, produzindo fortes campos magnéticos que moldam o plasma em um jato viajando a cerca de 16 quilômetros por segundo. Gravações em alta velocidade mostram que o jato passa por vários estágios distintos em algumas dezenas de microssegundos.

Bellan diz que o jato de plasma parece um guarda-chuva crescendo em comprimento. Quando o comprimento atinge um ou dois pés, o jato sofre uma instabilidade que faz com que ele se transforme em um saca-rolhas em rápida expansão. Esta rápida expansão desencadeia uma instabilidade diferente e mais rápida que cria ondulações.

“As ondulações sufocam a corrente elétrica de 100 quiloampéres do jato, da mesma forma que colocar o polegar sobre uma mangueira de água restringe o fluxo e cria um gradiente de pressão que acelera a água”, diz Bellan. "Sufocar a corrente do jato cria um campo elétrico forte o suficiente para acelerar os elétrons a alta energia."

Esses eletrões de alta energia foram previamente identificados na experiência do jato pelos raios X que geram, e Bellan diz que a sua presença foi uma surpresa. Isso ocorre porque o entendimento convencional diz que o plasma do jato era muito frio para que os elétrons fossem acelerados a altas energias. Observe que "frio" é um termo relativo:embora este plasma tivesse uma temperatura de cerca de 20.000 Kelvin (35.500°F) - muito mais quente do que qualquer coisa que os humanos normalmente encontram - ele não está nem perto da temperatura da coroa solar, que é superior a 1 milhões de Kelvin (1,8 milhões de graus F).

"Então, a questão é:'Por que vemos raios X?'", Diz ele.

Acreditava-se que os plasmas frios eram incapazes de gerar elétrons de alta energia porque eram muito “colisionais”, o que significa que um elétron não pode viajar muito longe antes de colidir com outra partícula. É como um motorista tentando arrastar a corrida em um engarrafamento na rodovia. O motorista poderia pisar no acelerador, mas percorreria apenas alguns metros antes de colidir com outro carro. No caso de um plasma frio, um elétron aceleraria apenas cerca de um mícron antes de colidir e desacelerar.

A primeira tentativa do grupo Bellan de explicar este fenômeno foi um modelo que sugeria que alguma fração dos elétrons consegue evitar a colisão com outras partículas durante o primeiro mícron de viagem. De acordo com a teoria, isso permitiu que os elétrons acelerassem a uma velocidade um pouco mais alta e, uma vez mais rápido, poderiam viajar um pouco mais longe antes de encontrar outra partícula com a qual pudessem colidir.

Alguma fração desses elétrons, agora mais rápidos, evitaria novamente uma colisão por um tempo, permitindo-lhes atingir uma velocidade ainda maior, o que lhes permitiria viajar ainda mais longe, criando um ciclo de feedback positivo que permitiria que alguns elétrons sortudos fossem mais longe. e mais rápido, atingindo altas velocidades e altas energias.

Mas embora convincente, a teoria estava errada, diz Bellan.

“Percebeu-se que esse argumento tem uma falha”, diz ele, “porque os elétrons não colidem realmente no sentido de atingir ou não atingir algo. algo como um elétron que está colidindo ou não."

No entanto, electrões de alta energia aparecem no plasma frio da experiência do jacto. Para descobrir o porquê, Bellan desenvolveu um código de computador que calculava as ações de 5.000 elétrons e 5.000 íons desviando-se continuamente uns dos outros em um campo elétrico. Para descobrir como alguns elétrons conseguiam atingir altas energias, ele ajustou os parâmetros e observou como o comportamento dos elétrons mudava.

À medida que os elétrons aceleram no campo elétrico, eles passam perto dos íons, mas nunca os tocam. Ocasionalmente, um elétron passa tão próximo de um íon que transfere energia para um elétron ligado ao íon e desacelera, com o íon agora "excitado" irradiando luz visível. Como os elétrons só ocasionalmente passam tão próximos, eles geralmente se desviam ligeiramente do íon sem excitá-lo. Este vazamento ocasional de energia ocorre na maioria dos elétrons, o que significa que eles nunca atingem altas energias.

Quando Bellan ajustou sua simulação, apareceram alguns elétrons de alta energia capazes de criar raios X. “Os poucos sortudos que nunca chegam perto o suficiente de um íon para excitá-lo nunca perdem energia”, acrescenta. "Esses elétrons são continuamente acelerados no campo elétrico e, finalmente, atingem energia suficiente para produzir os raios X."

Bellan diz que se esse comportamento ocorre no jato de plasma em seu laboratório Caltech, provavelmente também acontece em explosões solares e em situações astrofísicas. Isto também pode explicar por que raios X inesperadamente de alta energia são às vezes vistos durante experimentos de energia de fusão.

“Há uma longa história de pessoas vendo coisas que consideravam uma fusão útil”, diz ele. "Acontece que foi fusão, mas não foi realmente útil. Foram intensos campos elétricos transitórios produzidos por instabilidades que aceleraram algumas partículas a energias extremamente altas. Isso pode explicar o que estava acontecendo. Não é isso que as pessoas querem, mas provavelmente é o que acontece."

O artigo que descreve o trabalho, "Produção energética da cauda de elétrons a partir de encontros binários de elétrons e íons discretos em um campo elétrico sub-Dreicer", foi publicado na edição de 20 de outubro da Physics of Plasmas. e foi apresentado em 3 de novembro na 65ª Reunião Anual da Divisão de Física de Plasmas da American Physical Society em Denver, Colorado.

Mais informações: Paul M. Bellan, Produção energética de cauda de elétrons a partir de encontros binários de elétrons e íons discretos em um campo elétrico sub-Dreicer, Física dos Plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0167004
Informações do diário: Física dos Plasmas

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia