Blazares são galáxias ativas alimentadas por buracos negros supermassivos que lançam feixes estreitos de partículas e radiação a velocidades próximas à da luz em direção à Terra. Esses jatos produzem intensa emissão de raios gama, com energias que chegam a vários teraelétron-volts (1 TeV = 10¹² / um trilhão de eV), detectada por telescópios terrestres. À medida que esses raios gama de TeV se propagam pelo espaço intergaláctico, eles se dispersam na tênue luz de fundo das estrelas, criando cascatas de pares elétron-pósitron. Esses pares deveriam então se dispersar na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, gerando raios gama de menor energia (GeV = 10? eV) – contudo, esses raios não foram capturados por telescópios espaciais de raios gama, como o satélite Fermi. Até o momento, o motivo disso permanece um mistério.

Uma explicação é que os pares são desviados por campos magnéticos intergalácticos fracos, direcionando os raios gama de baixa energia para longe da nossa linha de visão. Outra hipótese, originária da física de plasmas, é que os próprios feixes de pares se tornam instáveis ao atravessarem a matéria esparsa que existe entre as galáxias. Nesse caso, pequenas flutuações no feixe impulsionam correntes que geram campos magnéticos, reforçando a instabilidade e potencialmente dissipando a energia do feixe.

Para testar essas teorias, a equipe de pesquisa – uma colaboração entre a Universidade de Oxford e a Central Laser Facility (CLF ) do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC ) – utilizou a instalação HiRadMat (High-Radiation to Materials) do CERN para gerar pares elétron-pósitron com o Super Síncrotron de Prótons e enviá-los através de um plasma ambiente de um metro de comprimento. Isso criou um análogo em escala laboratorial de uma cascata de pares impulsionada por um blazar, propagando-se através do plasma intergaláctico. Ao medir o perfil do feixe e as assinaturas do campo magnético associadas, os pesquisadores examinaram diretamente se as instabilidades feixe-plasma poderiam interromper o jato.

Os resultados foram surpreendentes. Contrariamente às expectativas, o feixe de pares permaneceu estreito e quase paralelo, com perturbações mínimas ou campos magnéticos autogerados. Quando extrapolado para escalas astrofísicas, isso implica que as instabilidades feixe-plasma são muito fracas para explicar a ausência de raios gama de GeV — corroborando a hipótese de que o meio intergaláctico contém um campo magnético que provavelmente é um vestígio do Universo primordial.

O pesquisador principal, Professor Gianluca Gregori (Departamento de Física, Universidade de Oxford), afirmou: "Nosso estudo demonstra como experimentos de laboratório podem ajudar a preencher a lacuna entre a teoria e a observação, aprimorando nossa compreensão de objetos astrofísicos a partir de telescópios terrestres e de satélite. Ele também destaca a importância da colaboração entre instalações experimentais em todo o mundo, especialmente para desbravar novos caminhos no acesso a regimes físicos cada vez mais extremos."

As descobertas, no entanto, levantam mais questões. Acredita-se que o Universo primitivo tenha sido extremamente uniforme e não está claro como um campo magnético pode ter sido gerado durante essa fase primordial. De acordo com os pesquisadores, a resposta pode envolver uma nova física além do Modelo Padrão. A esperança é que instalações futuras, como o Observatório de Telescópios Cherenkov (CTAO), forneçam dados de maior resolução para testar essas ideias mais a fundo.

O co-nvestigador Professor Subir Sarkar (Departamento de Física, Universidade de Oxford) disse: "Foi muito divertido participar de um experimento inovador como este, que adiciona uma nova dimensão à pesquisa de ponta realizada no CERN. Esperamos que nosso resultado impressionante desperte o interesse da comunidade de (astro)física de plasma nas possibilidades de investigar questões cósmicas fundamentais em um laboratório terrestre de física de altas energias."

O coinvestigador Dr. Pablo Bilbao (Departamento de Física, Universidade de Oxford) afirmou: "Para um teórico, é extraordinário ver experimentos confirmando e ampliando ideias que, até recentemente, existiam apenas em simulações. Esses resultados demonstram o poder de combinar computação em larga escala com instalações experimentais de ponta como o CERN para investigar a física dos plasmas cósmicos."

Este esforço colaborativo envolveu pesquisadores da Universidade de Oxford, do Centro de Instalações a Laser (RAL) do STFC, do CERN, do Laboratório de Energética a Laser da Universidade de Rochester, da AWE Aldermaston, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, do Instituto Max Planck de Física Nuclear, da Universidade da Islândia e do Instituto Superior Técnico de Lisboa.

O estudo intitulado "Supressão de instabilidades de feixes de pares em um análogo de laboratório de cascatas de pares de blazares" foi publicado nos Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS) .

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