Astrofísica y electrodinámica cuántica en campos intensos

El estudio de fenómenos astrofísicos, como agujeros negros, explosiones de estrellas o la colisión interestelar, así como el estudio de partículas elementales, ha requerido de la construcción de instrumentos científicos que han llevado la ciencia, tecnología e ingeniería a sus más elevados límites.

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Por: Vicente Aboites

El estudio de fenómenos astrofísicos, como agujeros negros, explosiones de estrellas o la colisión interestelar, así como el estudio de partículas elementales, ha requerido de la construcción de instrumentos científicos que han llevado la ciencia, tecnología e ingeniería a sus más elevados límites.

Un ejemplo es el acelerador de partículas localizado en la frontera entre Francia y Suiza del Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), así como muchos otros instrumentos incluidos los láseres de extrema potencia como los localizados en Livermore California, Rutherford en Oxfordshire u Osaka en Japón, entre otros pocos.

Estos láseres pueden generar en los laboratorios condiciones similares a las que se encuentran en algunos fenómenos astrofísicos. Por ejemplo, al incidir un pulso sobre un blanco apropiado se puede producir un haz de partículas que se expande a velocidades similares a las que se encuentran en explosiones estelares. 

Así mismo, únicamente con láseres se pueden generar campos tan intensos que ponen a prueba teorías ampliamente aceptadas pero que no habían sido corroboradas en condiciones y campos extremos, como la electrodinámica cuántica. De hecho, usando láseres se pueden crear ambientes tan extremos que esto permite verificar la precisión de nuestras mejores teorías científicas.

Hace apenas dos años se otorgó el premio Nobel por el desarrollo de una técnica de compresión y expansión de pulsos usada para lograr pulsos láser de extrema intensidad (típicamente diez PetaWatts, o, 10,000,000,000,000,000 Watts, en tiempos de femtosegundos ó, 0.000,000,000,000,000,1 segundos). Sin embargo, al manejar pulsos láser de muy alta intensidad siempre se corre el riesgo de que los pulsos producidos dañen al mismo láser que los produce.

Para evitar esto los pulsos láser primeramente deben de ser expandidos temporalmente con lo cual disminuye notablemente su intensidad y solo entonces son amplificados a la más alta potencia posible, este pulso largo de muy alta intensidad es entonces finalmente en la última etapa del láser, comprimido para producir un pulso extraordinariamente corto y de la máxima intensidad.

Estos pulsos son tan intensos que permiten la generación de partículas y campos dentro del ámbito relativista. La disciplina de “Astrofísica Láser” incluye temas como los procesos de interacción entre láseres y plasmas, el transporte de energía a través de electrones, la hidrodinámica de choques ultra intensos, así como sus inestabilidades, transporte de rayos X y plasmas relativistas, explosiones en supernovas, interacción entre jets de electrones y positrones relativistas, núcleos galácticos.

Todos estos temas son abordados en una muy reciente publicación del Instituto Norteamericano de Física en donde se reportan resultados experimentales de astrofísica láser, un campo que hasta hace unos pocos años hubiera parecido de ciencia ficción o francamente imposible: P. Zhang  et al., “Relativistic plasma physics in supercritical fields”, Physics of Plasmas, 2020; 27 (5).

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