Os resultados da equipe, publicados em 3 de novembro na PNAS, podem ajudar a resolver um grande mistério sobre os raios gama ausentes do Universo e seus vastos campos magnéticos invisíveis.

Blazares e o Enigma dos Raios Gama Ausentes

Blazares são um tipo de galáxia ativa alimentada por buracos negros supermassivos que disparam potentes jatos estreitos de partículas e radiação a quase a velocidade da luz. Esses feixes liberam raios gama extremamente energéticos que podem alcançar vários teraeletronvolts (1 TeV = 10¹² eV), detectados por observatórios baseados em solo.

À medida que esses raios gama de TeV viajam pelo espaço intergaláctico, interagem com a luz de fundo fraca de estrelas, produzindo cascatas de pares de elétrons e pósitrons. Esses pares deveriam colidir com o fundo cósmico de micro-ondas, criando raios gama de energia mais baixa (em torno de 10⁹ eV, ou GeV). No entanto, telescópios espaciais de raios gama, como o satélite Fermi da NASA, não observaram o sinal esperado. A causa dessa discrepância tem sido desconhecida por muito tempo.

Cientistas propuseram duas possíveis explicações. Uma teoria sugere que campos magnéticos fracos entre galáxias desviam os pares de elétrons e pósitrons, redirecionando os raios gama resultantes para longe da Terra. Outra, baseada na física do plasma, propõe que os pares se tornam instáveis enquanto passam pelo gás rarefeito que preenche o espaço intergaláctico. Nesse cenário, pequenas perturbações no plasma geram campos magnéticos e turbulência que drenam energia do feixe.

Recriação de Condições Cósmicas em Laboratório

Para testar essas ideias, a equipe de pesquisa – combinando expertise da Oxford e do Central Laser Facility (CLF) da Science and Technology Facilities Council (STFC) – usou a configuração HiRadMat (Alta Radiação para Materiais) do CERN. Eles produziram feixes de pares de elétrons e pósitrons usando o Super Proton Synchrotron e os enviaram através de um plasma de um metro de comprimento. Este experimento serviu como uma simulação em pequena escala de como a cascata de pares de um blazar se move através da matéria intergaláctica.

Ao medir a forma do feixe e os campos magnéticos que ele gerou, os pesquisadores puderam determinar se as instabilidades do plasma poderiam ser fortes o suficiente para interromper o fluxo do feixe.

Resultados Surpreendentes Indicam Campos Magnéticos Antigos

Os achados foram inesperados. Em vez de se desintegrar, o feixe de pares permaneceu bem focado e quase paralelo, mostrando muito pouca perturbação ou atividade magnética. Quando aplicado a escalas cósmicas, isso sugere que as instabilidades do plasma, por si só, são muito fracas para explicar os raios gama ausentes.

O resultado apoia a explicação alternativa – de que o meio intergaláctico contém um campo magnético remanescente da infância do Universo.

O pesquisador principal, Professor Gianluca Gregori (Departamento de Física da Universidade de Oxford) disse: “Nosso estudo demonstra como os experimentos de laboratório podem ajudar a preencher a lacuna entre teoria e observação, aprimorando nossa compreensão de objetos astrofísicos a partir de telescópios espaciais e baseados em solo. Isso também destaca a importância da colaboração entre instalações experimentais ao redor do mundo, especialmente na exploração de regimes físicos cada vez mais extremos.”

O Universo Primordial e a Origem do Magnetismo

Os resultados levantam novas questões sobre como tal campo magnético poderia ter se formado. O Universo primitivo é considerado altamente uniforme, portanto, a existência de campos magnéticos daquela era é difícil de explicar. Os pesquisadores sugerem que a resposta pode envolver física além do Modelo Padrão. Futuras observatórios, como o Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), devem fornecer dados mais precisos para explorar essas teorias.

O co-investigador, Professor Bob Bingham (STFC Central Laser Facility e Universidade de Strathclyde) disse: “Esses experimentos demonstram como a astrofísica de laboratório pode testar teorias do Universo de alta energia. Ao reproduzir condições de plasma relativístico em laboratório, podemos medir processos que moldam a evolução de jatos cósmicos e entender melhor a origem dos campos magnéticos no espaço intergaláctico.”

O co-investigador, Professor Subir Sarkar (Departamento de Física da Universidade de Oxford) acrescentou: “Foi muito divertido fazer parte de um experimento inovador como esse que adiciona uma nova dimensão à pesquisa de fronteira sendo feita no CERN – espero que nosso resultado impactante desperte o interesse na comunidade de plasma (astro)física para as possibilidades de investigar questões cósmicas fundamentais em um laboratório terrestre de física de alta energia.”

O projeto reuniu cientistas da Universidade de Oxford, do Central Laser Facility da STFC (RAL), do CERN, do Laboratório de Energética a Laser da Universidade de Rochester, da AWE Aldermaston, do Lawrence Livermore National Laboratory, do Instituto Max Planck de Física Nuclear, da Universidade da Islândia e do Instituto Superior Técnico em Lisboa.