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Seja entre galáxias ou dentro de dispositivos de fusão em formato de donut conhecidos como tokamaks, o quarto estado eletricamente carregado da matéria conhecido como plasma encontra regularmente campos magnéticos poderosos, mudando de forma e chapinhando no espaço. Agora, uma nova técnica de medição usando prótons, partículas subatômicas que formam os núcleos dos átomos, capturou detalhes dessa chapinhada pela primeira vez, potencialmente fornecendo insights sobre a formação de enormes jatos de plasma que se estendem entre as estrelas.
Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) criaram imagens detalhadas de um campo magnético se curvando para fora devido à pressão criada pela expansão do plasma. Conforme o plasma empurrava o campo magnético, borbulhamento e espumação conhecidos como instabilidades magneto-Rayleigh Taylor surgiam nas fronteiras, criando estruturas que lembravam colunas e cogumelos.
Então, conforme a energia do plasma diminuiu, as linhas do campo magnético retornaram às suas posições originais. Como resultado, o plasma foi comprimido em uma estrutura reta que lembra os jatos de plasma que podem fluir de estrelas mortas ultradensas conhecidas como buracos negros e se estender por distâncias muitas vezes maiores que o tamanho de uma galáxia. Os resultados sugerem que esses jatos, cujas causas permanecem um mistério, podem ser formados pelos mesmos campos magnéticos de compressão observados nesta pesquisa.
“Quando fizemos o experimento e analisamos os dados, descobrimos que tínhamos algo grande”, disse Sophia Malko, física pesquisadora da equipe do PPPL e cientista-chefe do artigo. “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. Esta observação ajuda a confirmar que esta instabilidade ocorre quando o plasma em expansão encontra campos magnéticos. Não sabíamos que nossos diagnósticos teriam esse tipo de precisão. Toda a nossa equipe está emocionada!”
“Esses experimentos mostram que campos magnéticos são muito importantes para a formação de jatos de plasma”, disse Will Fox, um físico pesquisador do PPPL e principal investigador da pesquisa relatada na Physical Review Research. “Agora que podemos ter uma ideia do que gera esses jatos, poderíamos, em teoria, estudar jatos astrofísicos gigantes e aprender algo sobre buracos negros.”
O PPPL tem expertise mundialmente reconhecida no desenvolvimento e construção de diagnósticos, sensores que medem propriedades como densidade e temperatura no plasma em uma variedade de condições. Essa conquista é uma das várias nos últimos anos que ilustram como o Lab está avançando a inovação de medição na física do plasma.
Usando uma nova técnica para produzir detalhes sem precedentes
A equipe aprimorou uma técnica de medição conhecida como radiografia de prótons ao criar uma nova variação para este experimento que permitiria medições extremamente precisas. Para criar o plasma, a equipe lançou um laser poderoso em um pequeno disco de plástico. Para produzir prótons, eles lançaram 20 lasers em uma cápsula contendo combustível feito de variedades de átomos de hidrogênio e hélio. Conforme o combustível esquentava, reações de fusão ocorriam e produziam uma explosão de prótons e luz intensa conhecida como raios X.
A equipe também instalou uma folha de malha com pequenos furos perto da cápsula. Conforme os prótons fluíam pela malha, o derramamento era separado em pequenos feixes separados que eram dobrados por causa dos campos magnéticos ao redor. Ao comparar a imagem distorcida da malha com uma imagem não distorcida produzida por raios X, a equipe pôde entender como os campos magnéticos eram empurrados pelo plasma em expansão, levando a instabilidades semelhantes a redemoinhos nas bordas.
“Nosso experimento foi único porque pudemos ver diretamente o campo magnético mudando ao longo do tempo”, disse Fox. “Podemos observar diretamente como o campo é empurrado para fora e responde ao plasma em um tipo de cabo de guerra.”
Diversificando um portfólio de pesquisa
As descobertas exemplificam como o PPPL está expandindo seu foco para incluir pesquisas focadas em plasma de alta densidade energética (HED). Esses plasmas, como o criado na cápsula de combustível deste experimento, são mais quentes e densos do que aqueles usados em experimentos de fusão. “O plasma HED é uma área de crescimento empolgante para a física de plasma”, disse Fox. “Este trabalho é parte dos esforços do PPPL para avançar neste campo. Os resultados mostram como o Laboratório pode criar diagnósticos avançados para nos dar novos insights sobre este tipo de plasma, que pode ser usado em dispositivos de fusão a laser, bem como em técnicas que usam plasma HED para criar radiação para fabricação de microeletrônica.”
“A PPPL tem uma quantidade enorme de conhecimento e experiência em plasmas magnetizados que podem contribuir para o campo de plasmas HED produzidos a laser e ajudar a fazer contribuições significativas”, disse Fox.
“A ciência HED é complexa, fascinante e essencial para entender uma ampla gama de fenômenos”, disse Laura Berzak Hopkins, diretora associada de laboratório para estratégia e parcerias e vice-diretora de pesquisa da PPPL. “É incrivelmente desafiador gerar essas condições de forma controlada e desenvolver diagnósticos avançados para medições de precisão. Esses resultados empolgantes demonstram o impacto da integração da amplitude da expertise técnica da PPPL com abordagens inovadoras.”
Mais experimentos e melhores simulações
Os pesquisadores planejam trabalhar em experimentos futuros que ajudarão a melhorar os modelos de expansão de plasma. “Os cientistas presumiram que, nessas situações, a densidade e o magnetismo variam diretamente, mas acontece que isso não é verdade”, disse Malko.
“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 colaboradores incluíram pesquisadores da University of California-Los Angeles, da Sorbonne University, da Princeton University e da University of Michigan. A pesquisa foi financiada pelo programa Laboratory-Directed Research and Development do DOE sob o número de contrato DE-AC02-09CH11466. O experimento foi conduzido usando a Omega Laser Facility da University of Rochester sob o número de contrato DOE/National Nuclear Security Administration DE-NA0003856.
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