Um experimento usando feixes de prótons para investigar como o plasma e os campos magnéticos interagem pode ter resolvido o mistério de como os quasares e outros buracos negros supermassivos ativos liberam seus jatos relativísticos.
Vamos imaginar a cena no coração de um quasar. Um supermassivo buraco negrotalvez centenas de milhões — ou mesmo bilhões — de vezes a massa do nosso solestá devorando vorazmente a matéria que está fluindo para sua boca de um disco espiral ultraquente. Essa matéria carregada é chamada de plasma, e é gravitacionalmente atraída para os arredores do buraco negro — no entanto, nem todo o plasma, que é feito de átomos ionizados ou eletrificados, desprovidos de elétrons, é engolido pelo buraco negro. De fato, o buraco negro morde mais do que pode mastigar, e parte do plasma é cuspido em jatos colimados pelo poderoso campo magnético antes que o plasma chegue a algum lugar aproximar o horizonte de eventos, que é basicamente o ponto sem retorno.
Esses jatos podem se estender por milhares de anos-luz para o espaço. No entanto, explicar a física que acontece na base do jato, onde eles são formados, tem iludido os cientistas.
A resposta pode ter vindo de pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL), em Nova Jersey, que conseguiram desenvolver uma modificação em uma técnica de medição de plasma chamada radiografia de prótons.
Em seu experimento, os pesquisadores primeiro criaram um plasma de alta densidade energética disparando um feixe de laser pulsado de 20 joules em um alvo de plástico. Então, eles usaram lasers poderosos para instigar a fusão nuclear em uma cápsula de combustível cheia de deutério e hélio-3. As reações de fusão liberaram rajadas de prótons e raios X.
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Esses prótons e raios X então passaram por uma malha de níquel cheia de pequenos furos. Pense na malha como uma peneira para coar macarrão; ela coa os prótons em muitos feixes discretos que então podem medir como a pluma de plasma em expansão interage com um campo magnético de fundo. Como os prótons são carregados, eles seguirão as linhas do campo magnético conforme são atingidos pelo plasma. A explosão de raios X atua como uma verificação — como os raios X passam de forma limpa pela malha e pelo campo magnético, eles fornecem uma imagem não distorcida do plasma para comparar com as medições do feixe de prótons.
“Nosso experimento foi único porque pudemos ver diretamente o campo magnético mudando ao longo do tempo”, disse Will Fox, o principal investigador do experimento, em um declaração“Poderíamos observar diretamente como o campo é empurrado para fora e responde ao plasma em uma espécie de cabo de guerra.”
Eles observaram em detalhes o campo magnético se curvando para fora sob pressão do plasma em expansão, com o plasma chapinhando contra as linhas do campo magnético. Essa borbulhagem e espumação do plasma é conhecida como instabilidade magneto-Rayleigh Taylor, e criou formas no campo magnético que parecem redemoinhos e cogumelos. Crucialmente, conforme a energia do plasma diminuía, as linhas do campo magnético eram capazes de se recuperar. Isso comprimia o plasma em uma coluna reta e estreita, não muito diferente do jato relativístico de um quasar.
“Quando fizemos o experimento e analisamos os dados, descobrimos que tínhamos algo grande”, disse Sophia Malko, da PPPL. “Observar instabilidades magneto-Rayleigh Taylor decorrentes da interação de plasma e campos magnéticos já era algo que se pensava ocorrer há muito tempo, mas nunca tinha sido observado diretamente até agora. Essa observação ajuda a confirmar que essa instabilidade ocorre quando o plasma em expansão encontra campos magnéticos.”
O experimento indica fortemente que jatos de quasar podem agradecer a esse tipo de reação de campos magnéticos ao plasma em expansão para sua criação. Se os resultados forem um instantâneo do que acontece ao redor de buracos negros ativos, isso significaria que, no disco de acreção do buraco negro, as condições se tornam tão intensas que o plasma no disco é capaz de empurrar contra as linhas de campo magnético compactadas, que podem então voltar e empurrar o plasma para uma coluna estreita, quase esguichando-o para longe do buraco negro. Se for verdade, isso pode ser uma grande peça faltando em nossa imagem de como os buracos negros ativos operam.
“Agora que medimos essas instabilidades com muita precisão, temos as informações de que precisamos para melhorar nossos modelos e potencialmente simular e entender jatos astrofísicos em um grau mais alto do que antes”, disse Malko. “É interessante que os humanos possam fazer algo em um laboratório que geralmente existe no espaço.”
Os resultados foram publicados em 27 de junho na revista Pesquisa de revisão física.
Originalmente publicado em Espaço.com.
