‘Bolas de fuego de plasma' de agujeros negros generadas en la Tierra

Físicos de Oxford han liderado el desarrollado de una novedosa forma de producir experimentalmente "bolas de fuego" de plasma en la Tierra, abriendo una nueva frontera en la astrofísica de laboratorio.

Los nuevos hallazgos se han publicado esta semana en Nature Communications.

Los agujeros negros y las estrellas de neutrones son los objetos más compactos del universo. Alrededor de estos entornos astrofísicos extremos existen plasmas, el cuarto estado fundamental de la materia junto con los sólidos, líquidos y gases. La intensa gravedad de estos objetos densos atrae la materia cercana y también hace que disparen potentes chorros de plasma, principalmente compuestos de pares de electrones y su contraparte de antimateria, los positrones. Si bien estos chorros se ven a menudo en el espacio, crearlos en un laboratorio ha resultado ser un gran desafío hasta ahora.

Ahora, por primera vez, un equipo internacional de científicos ha creado con éxito haces de plasma de alta densidad en el laboratorio que contienen alrededor de 10 billones de pares electrón-positrón. Un número tan elevado significa que el haz se comporta como un verdadero plasma (con actividad ondulatoria) y no simplemente como una colección de partículas.

Según los investigadores, este avance abre la puerta a futuros experimentos para explorar los poderosos procesos que ocurren en los estallidos de rayos gamma, GRB (estallidos de luz altamente energéticos que se cree que son causados por eventos catastróficos en el espacio exterior) y los flujos de salida de los núcleos galácticos activos, AGN (regiones extremadamente brillantes en los centros de algunas galaxias alimentadas por agujeros negros supermasivos).

"La generación en laboratorio de "bolas de fuego" de plasma compuestas de materia, antimateria y fotones es un objetivo de investigación en la vanguardia de la ciencia de alta densidad de energía", dice en un comunicado el autor principal Charles Arrowsmith, del Departamento de Física de la Universidad de Oxford. "Pero la dificultad experimental de producir pares electrón-positrón en cantidades suficientemente altas ha limitado, hasta ahora, nuestra comprensión a estudios puramente teóricos".

Junto con investigadores del Laboratorio Rutherford Appleton en Harwell, el grupo diseñó un novedoso experimento aprovechando la instalación HiRadMat en el acelerador Super Proton Synchrotron (SPS) en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra.

El experimento produjo una enorme cantidad de pares electrón-positrón utilizando 300.000 millones de protones del acelerador SPS. Cada protón tenía 440 veces más energía cinética que su energía normal en reposo. Debido a esto, cuando estos protones de alta energía chocaron contra un átomo, tuvieron suficiente potencia para romper los componentes del átomo (quarks y gluones), que luego rápidamente volvieron a unirse para crear una cascada de partículas que finalmente se convirtieron en electrones y positrones.

Básicamente, el haz generado en el CERN tenía suficientes partículas para comenzar a comportarse como un verdadero plasma astrofísico alrededor de un agujero negro.

El equipo también ha desarrollado técnicas para modificar la emitancia de haces de pares, lo que permite realizar estudios controlados de interacciones de plasma en análogos a escala de sistemas astrofísicos.