As condições em nosso vasto universo podem ser muito diferentes. As violentas quedas de corpos celestes deixam cicatrizes na superfície dos planetas. As reações nucleares no coração das estrelas geram enormes quantidades de energia. Explosões gigantescas irão catapultar a matéria para longe no espaço. Mas como exatamente procedem processos como esses? O que eles nos dizem sobre o universo? Seu poder pode ser usado para o benefício da humanidade?
Para descobrir, os cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory realizaram experimentos sofisticados e simulações de computador que recriam as duras condições do espaço em microescala do laboratório.
“O campo da astrofísica de laboratório está crescendo em um ritmo rápido e é impulsionado por uma série de avanços tecnológicos”, disse Siegfried Glenzer, chefe da divisão de ciência de alta densidade de energia do SLAC. “Agora temos lasers poderosos para a criação de estados extremos da matéria, fontes avançadas de raios-X para analisar esses estados no nível atômico e supercomputadores de alto desempenho para simulações complexas que orientam e ajudam a explicar nossos experimentos. Com grandes oportunidades nessas áreas, o SLAC está se tornando um terreno particularmente fértil para esse tipo de pesquisa.”
Três estudos recentes destacando essa abordagem envolvem colisões de meteoros, núcleos de planetas gigantes e aceleradores de partículas cósmicas milhões de vezes mais poderosos do que o Grande Colisor de Hádrons, o maior acelerador de partículas da Terra.
"Bugigangas" cósmicas indicam meteoros
Sabe-se que a alta pressão pode transformar a forma mole do carbono - grafite, que é usada como chumbo - em uma forma extremamente pesada de carbono, o diamante. Isso poderia acontecer se um meteoro atingir o grafite no solo? Os cientistas acreditam que sim, e que essas quedas, na verdade, poderiam ser poderosas o suficiente para produzir o que é chamado de lonsdaleita, uma forma especial de diamante ainda mais forte do que um diamante normal.
"A existência de lonsdaleíta foi contestada, mas agora encontramos evidências convincentes disso", disse Glenzer, principal investigador do artigo, publicado em março na Nature Communications.
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Os cientistas aqueceram a superfície do grafite com um poderoso pulso de laser óptico, que enviou uma onda de choque para a amostra e a comprimiu rapidamente. Ao lançar raios-X LCLS ultrarrápidos e brilhantes através da fonte, os cientistas foram capazes de ver como o choque alterou a estrutura atômica do grafite.
“Vimos a forma de lonsdaleita em algumas amostras de grafite em alguns bilionésimos de segundo e a 200 gigapascais (2 milhões de vezes a pressão atmosférica ao nível do mar)”, diz o autor principal Dominik Krautz do German Helmholtz Center, que trabalhou na Califórnia. Universidade de Berkeley no momento da pesquisa. "Esses resultados apóiam fortemente a ideia de que impactos violentos podem sintetizar essa forma de diamante, e isso, por sua vez, pode nos ajudar a identificar locais de impacto de meteoros."
Planetas gigantes transformam hidrogênio em metal
O segundo estudo, publicado recentemente na Nature Communications, analisa outra transformação importante que poderia ter ocorrido dentro de planetas gasosos gigantes como Júpiter, cujo interior é principalmente hidrogênio líquido: em alta temperatura e pressão, este material muda do "normal", estado eletricamente isolante em metálico, condutor.
“A compreensão desse processo fornece novos detalhes sobre a formação planetária e a evolução do sistema solar”, diz Glenzer, que também foi um dos principais pesquisadores do trabalho. "Embora essa transição já fosse prevista na década de 1930, nunca abrimos uma janela direta para os processos atômicos."
Ou seja, não foi aberto até que Glenzer e seus colegas cientistas conduziram um experimento no Laboratório Nacional de Livermore (LLNL), onde usaram um laser Janus de alta potência para espremer e aquecer rapidamente uma amostra de deutério líquido, uma forma pesada de hidrogênio, e criar uma explosão de raios-X., que revelou mudanças estruturais consistentes na amostra.
Os cientistas viram que acima de uma pressão de 250.000 atmosferas e uma temperatura de 7.000 graus Fahrenheit, o deutério muda de um líquido isolante neutro para um metálico ionizado.
"Simulações de computador mostram que a transição coincide com a separação de dois átomos, geralmente ligados entre si em moléculas de deutério", disse o autor principal Paul Davis, um estudante graduado da Universidade da Califórnia, Berkeley no momento em que este artigo foi escrito. "Aparentemente, a pressão e a temperatura da onda de choque induzida por laser separa as moléculas, seus elétrons se desprendem e podem conduzir eletricidade."
Além da ciência planetária, esta pesquisa também pode auxiliar na pesquisa que visa o uso de deutério como combustível nuclear para reações termonucleares.
Como construir um acelerador espacial
O terceiro exemplo de um universo extremo, um universo "à beira do precipício", são aceleradores de partículas espaciais incrivelmente poderosos - perto de buracos negros supermassivos, por exemplo - expelindo fluxos de gás ionizado, plasma, centenas de milhares de anos-luz no espaço. A energia contida nessas correntes e seus campos eletromagnéticos podem ser convertidos em partículas incrivelmente energéticas que produzem explosões muito curtas, mas intensas de raios gama que podem ser detectados na Terra.
Os cientistas gostariam de saber como funcionam esses aceleradores de energia, pois isso ajudará a entender o universo. Além disso, novas idéias para a construção de aceleradores mais poderosos podem ser extraídas disso. Afinal, a aceleração de partículas está no centro de muitos experimentos de física fundamentais e dispositivos médicos.
Os cientistas acreditam que uma das principais forças motrizes por trás dos aceleradores espaciais poderia ser a "reconexão magnética" - um processo no qual as linhas do campo magnético em um plasma se quebram e se reconectam de uma maneira diferente, liberando energia magnética.
“A reconexão magnética já foi observada em laboratório, por exemplo, em experimentos com a colisão de dois plasmas criados com lasers de alta potência”, diz Frederico Fiutsa, cientista da Divisão de Ciência de Alta Densidade de Energia e principal investigador do artigo teórico publicado em março na Physical Review Letters. … “No entanto, nenhum desses experimentos a laser observou aceleração não térmica de partículas - aceleração não associada ao aquecimento do plasma. Nosso trabalho mostra que, com um determinado design, nossos experimentos deveriam vê-lo."
Sua equipe fez uma série de simulações de computador que previram como as partículas de plasma deveriam se comportar em tais experimentos. Os cálculos mais sérios, baseados em 100 bilhões de partículas, exigiram mais de um milhão de horas de CPU e mais de um terabyte de memória no supercomputador Mira no Laboratório Nacional de Argonne.
“Nós identificamos os principais parâmetros para os detectores necessários, incluindo a faixa de energia na qual eles operarão, a resolução de energia necessária e a localização do experimento”, disse o autor principal Samuel Totorika, um estudante graduado da Universidade de Stanford. "Nossos resultados representam uma receita para projetar experimentos futuros que vão querer saber como as partículas obtêm energia da reconexão magnética."
