Como um laser pode ajudar a astrofísica a explicar o Universo

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Desde 2008, o Petawatt High Energy Laser for heavy Ion eXperiments  (Laser de Alta Energia Petawatt para Experimentos de Íons Pesados, ou PHELIX) é usado para aumentar a velocidade de enormes quantidades de prótons na distância mais curta em frações de segundo. Isso é, resumidamente, a tecnologia de aceleração a laser.

O trabalho desse poderoso e intenso feixe de luz é dividir núcleos atômicos para que os pesquisadores possam analisá-los, nem que seja por um trilionésimo de segundo  – tempo que leva para a emissão do PHELIX atingir uma folha de ouro muito fina, ejetando um trilhão de prótons de núcleos de hidrogênio presos ao metal, energizando-os.

O PHELIX em ação.O PHELIX em ação.Fonte:  GSI/Divulgação 

"Um número tão grande de prótons em um período de tempo tão curto não pode ser alcançado com técnicas de aceleração padrão. Com esta tecnologia, podem ser abertas áreas de pesquisa completamente novas, até agora inacessíveis”, explica o físico Pascal Boller, do Centro de Lasers Pulsados da Universidade de Salamanca (CLPU).

Efeitos indesejáveis

Os prótons de hidrogênio colidem com um bloco de urânio, induzindo a fissão dos núcleos – as partículas geradas por essa colisão, por sua vez, também geram a fissão em cadeia, que, segundo os pesquisadores, “muitas precisam ser identificadas e medidas”.

(Eles ainda descobriram efeitos indesejados no impacto do laser: a geração de um pulso eletromagnético poderoso e um flash de raios gama. Mesmo com as devidas proteções, esses subprodutos da operação “afetam os sensíveis instrumentos de medição usados para essa detecção”)

Como o PHELIX funciona.Como o PHELIX funciona.Fonte:  Nature Scientific Reports/Boller et al/Divulgação 

Quando se inicia a reação em cadeia no urânio, um sistema de transporte carrega as partículas por longas distâncias da área de reação até o detector. A câmara onde o laser é disparado é preenchida, para a experiência, com um gás que leva as partículas geradas pela fissão nuclear através de pequenos tubos de plástico até um aparelho de medição, a metros de onde a explosão de laser aconteceu – geração e medição são duas operações distintas, sem que uma não interfira na outra.

A fissão do urânio usando-se o PHELIX, que se encontra no Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados, gerou isótopos de césio, xenônio e iodo. Os resultados, publicados na revista Nature Scientific Reports, podem abrir novos campos de pesquisa sobre o desenvolvimento dos astros e a dinâmica do Universo.

Cosmos em laboratório

“Pela primeira vez, pudemos identificar esses isótopos de forma confiável. Essa metodologia para estudar reações de fissão em matéria de estado de plasma de alta densidade pode ser aplicada em condições semelhantes como, por exemplo, no espaço dentro das estrelas, em explosões estelares ou ainda em fusões de estrelas de nêutrons”, disse em comunicado o diretor científico do Centro GSI Helmholtz, o físico Paolo Giubellino.

Para o físico Pascal Boller, “compreender os processos de reação dos núcleos interagindo uns com os outros no plasma pode nos dar insights sobre a origem dos núcleos atômicos, a chamada nucleossíntese, em nosso universo. O papel das reações de fissão nesses processos ainda não foi pesquisado em detalhes. Aqui, os prótons acelerados por laser podem fornecer novas informações".

Outras medições já estão na programação do grupo internacional de pesquisa, além daquelas planejadas para equipes de centros de pesquisa ao redor do mundo – incluindo no futuro acelerador de partículas da Facility for Antiproton and Ion Research (Instalações para Pesquisas com Antiprótons e Íons, ou FAIR), cujo lema é, apropriadamente, “O Universo em laboratório”.


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