O brilho vinha de bolas de fogo de plasma e de uma ideia ousada.
Investigadores usaram o Super Síncrotrão de Protões do CERN e o laboratório HiRadMat para imitar um jato semelhante ao de um blazar, observando depois o comportamento das partículas. Tinham como objetivo resolver um enigma que acompanha a astronomia há décadas: porque é que os raios gama mais energéticos previstos perto de alguns núcleos galácticos muitas vezes não chegam até nós.
Porque desaparecem os raios gama
Os blazares situam-se nos centros de galáxias ativas e albergam buracos negros supermassivos. Estes motores alimentam-se da matéria próxima e lançam jatos duplos de partículas a velocidades relativísticas. Quando um desses jatos aponta quase na nossa direção, a emissão intensifica-se por efeito Doppler. Os observatórios detectam então radiação desde as ondas rádio até aos raios gama. A teoria prevê que certos blazares deveriam produzir ainda mais fotões gama de alta energia do que os que medimos.
Para onde vão esses fotões? Muitos modelos apontam para cascatas de pares. Um raio gama muito energético colide com a luz difusa de fundo espalhada pelo espaço intergaláctico. Essa colisão pode gerar um eletrão e um positrão. Esses dois, por sua vez, aumentam a energia fotões ambientes até níveis de raios gama novamente, criando um brilho secundário que deverá chegar aos nossos telescópios.
No entanto, o sinal chega mais fraco do que o previsto. Duas ideias têm dominado as discussões. Ou um campo magnético generalizado no espaço profundo curva e disperse a cascata, ou o feixe de pares desintegra-se devido a instabilidades do plasma e perde energia antes de poder emitir novamente.
Como construir um jato em laboratório
A equipa liderada por Oxford transformou esse debate numa experiência controlada. Enviaram um feixe concebido para emular pares eletrão-positrão através de um plasma com um metro de comprimento, monitorizando a sua forma, velocidade e campos auto-gerados. A plataforma, chamada HiRadMat, é especializada em transportar de forma segura feixes intensos até alvos materiais. Assim, o grupo pôde sondar a microfísica subjacente à ideia da cascata, em vez de a deduzir apenas a partir de observações astronómicas.
- Instalação: Super Síncrotrão de Protões do CERN a alimentar a zona de irradiação HiRadMat.
- Análogo: um feixe semelhante a pares relativísticos injetado numa coluna de plasma com cerca de um metro de comprimento.
- Objetivo: observar instabilidades feixe-plasma capazes de consumir energia e dispersar partículas.
- Diagnóstico: medições do perfil do jato e campos magnéticos gerados dentro do plasma.
No laboratório, o feixe de pares manteve-se notavelmente estável — sem turbulência, sem perda de energia significativa, sem desintegração.
Esse resultado é importante. Se as instabilidades dominassem, o jato teria rugas, criaria fortes campos internos e desperdiçaria energia rapidamente. A equipa observou, pelo contrário, um fluxo praticamente linear e bem alinhado através da secção de plasma construída. Puderam assim testar diretamente a explicação "primeiro a instabilidade" e ver que esta não se confirma.
Duas ideias rivais, um favorito claro
O resultado negativo quanto às instabilidades dá vantagem à outra explicação: o magnetismo intergaláctico. Um campo magnético ténue e generalizado consegue desviar pares eletrão-positrão ao longo de milhões de anos-luz. Essa deflexão espalha o sinal gama secundário pelo céu e prolonga o tempo da sua chegada. Os telescópios focados no blazar podem então perder parte da emissão ou captá-la como um halo difuso, em vez de um ponto definido.
A leitura mais simples: um magnetismo fraco e difuso ao longo de vastas distâncias afasta a cascata da nossa linha de visão.
Esta interpretação está de acordo com limites definidos por instrumentos de raios gama no espaço e no solo na última década. Não exige física de partículas exótica. Aponta, sim, para uma história de origem do magnetismo anterior ao aparecimento de galáxias e aglomerados.
O que significaria um campo magnético primordial
Um campo magnético de fundo levanta uma questão maior: quem o ativou? Muitos astrofísicos defendem sementes plantadas logo nos primeiros instantes após o Big Bang. Essas sementes seriam depois amplificadas durante o crescimento das estruturas, moldando o fluxo do gás e o ignição das primeiras estrelas. Outros propõem processos impulsionados por choques em fases mais tardias, dentro dos primeiros filamentos de matéria, em que cascatas de energia fariam surgir campos ténues.
Ambas as hipóteses continuam em aberto. O novo resultado laboratorial reduz o conjunto de opções, mostrando que instabilidades do feixe, pelo menos sob condições controladas que simulam os parâmetros essenciais, não conseguem desfazer facilmente a cascata. Isso inclina a teoria para um campo já existente entre galáxias, em vez de um gerado no próprio desenvolvimento da cascata.
No guião da experiência
A astrofísica experimental transforma escalas incontroláveis em equivalentes geríveis. O grupo ajustou o tempo, densidade e forças de campo de modo que os números adimensionais coincidissem com os do cenário intergaláctico. Esta abordagem permite tirar conclusões sem esperar anos por novos fenómenos no céu.
Pergunta | Técnica laboratorial | O que a equipa verificou
Os feixes de pares desencadeiam instabilidades fortes? | Injetar um feixe relativístico em plasma | Procurar crescimento de turbulência e amplificação de campos
O feixe perde energia rapidamente? | Monitorizar perfil e assinaturas espectrais | Detectar alargamento e dissipação de energia
Pode a estabilidade sobreviver a grandes distâncias? | Usar escalas para extrapolar | Comparar com parâmetros intergalácticos
A resposta à escala de bancada: o feixe mantém-se estável. O cuidado na escala sugere que esse comportamento se mantém, restando a deflexão magnética como principal responsável pelos raios gama perdidos.
O que os telescópios vão tentar a seguir
Novas instalações deverão clarificar o cenário. O Observatório Cherenkov Telescope Array (CTAO) irá cartografar emissão de alta energia com melhor sensibilidade e resolução angular. A deteção de um halo difuso em torno de certos blazares reforçaria a hipótese do magnetismo intergaláctico. Um eco mais compacto e atrasado também se enquadraria na narrativa do desvio. Perfis temporais, espectros de energia e tamanhos dos halos, em conjunto, podem fixar a força e comprimento de coerência do campo.
Instrumentos espaciais continuam a vigiar as fontes mais brilhantes em busca de grandes erupções de raios gama. Campanhas coordenadas com observatórios de rádio e raios X ajudarão a desfazer degenerescências nos modelos. Se o campo variar entre vazios e filamentos, a cronometragem multicomprimento de onda pode detetá-lo.
Termos úteis
Blazar: núcleo galáctico ativo cujo jato aponta próximo da nossa linha de visão, aumentando o brilho aparente. Par eletrão–positrão: partículas com cargas de igual magnitude e sinal oposto, geradas quando um fotão de alta energia converte energia em massa. Cascata de pares: cadeia em que pares promovem luz ambiente de novo a energias gama. Campo magnético intergaláctico: campo ténue, de larga escala, que atravessa o espaço entre galáxias.
Porque um laboratório pode falar pelo espaço profundo
Os plasmas astrofísicos abrangem extremos de densidade e temperatura, mas o seu comportamento geralmente depende de rácios e não de valores absolutos. Se um laboratório reproduz esses rácios, a microfísica corresponde. Esta é a lógica subjacente a este trabalho, publicado pela equipa nos Proceedings of the National Academy of Sciences. Complementa, sem substituir, os dados dos telescópios.
Existem riscos e limitações. Uma célula de um metro não consegue simular biliões de anos de propagação. O diagnóstico pode falhar modos raros de desenvolvimento lento. Os autores reconhecem estas limitações e argumentam que as instabilidades dominantes e de rápido crescimento não apareceram. Experiências futuras podem ampliar o espaço de parâmetros e testar diferentes densidades de plasma e energias de feixe.
Formas inteligentes de ampliar a pesquisa
- Simulações numéricas podem ligar o regime laboratorial ao espaço intergaláctico completo e testar canais ocultos de instabilidade.
- Análises conjuntas de vários blazares podem revelar halos ténues que estudos de fontes isoladas podem não captar.
- A interpretação conjunta com alertas de neutrinos e ondas gravitacionais pode ligar campos magnéticos a fenómenos energéticos transitórios.
- Padrões laboratoriais podem refinar hipóteses em ajustes estatísticos dos dados de raios gama.
Para leitores interessados na tecnologia: o HiRadMat foi construído para lidar com feixes intensos em segurança e para albergar diagnósticos que resistam a condições extremas. O Super Síncrotrão de Protões fornece a potência. Em conjunto, tornam possíveis experiências que antes viviam apenas em artigos teóricos.
O resultado principal pode parecer modesto à primeira vista: um análogo de jato recusou-se a oscilar. Mas essa teimosa estabilidade elimina uma via popular de explicação e deixa um magnetismo sutil e ancestral como o motivo provável do desaparecimento dos raios gama. A próxima vaga de levantamentos do céu, e mais algumas experiências cuidadas em Genebra, poderão transformar essa probabilidade num mapa real do campo do espaço intergaláctico.
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