Sempre que os astrônomos descobrem uma nova maneira de procurar campos magnéticos em regiões cada vez mais remotas do cosmos, inexplicavelmente, eles os encontram.
Esses campos de força – as mesmas entidades que emanam dos imãs de geladeira – cercam a Terra, o sol e todas as galáxias. Vinte anos atrás, os astrônomos começaram a detectar magnetismo que permea aglomerados de galáxias inteiras, incluindo o espaço entre uma galáxia e a seguinte. Linhas de campo invisíveis percorrem o espaço intergaláctico como os sulcos de uma impressão digital.
No ano passado, os astrônomos finalmente conseguiram examinar uma região muito mais esparsa do espaço – a extensão entre os aglomerados de galáxias. Lá, eles descobriram o maior campo magnético até agora: 10 milhões de anos-luz de espaço magnetizado, abrangendo todo o comprimento desse “filamento” da teia cósmica. Um segundo filamento magnetizado já foi visto em outras partes do cosmos por meio das mesmas técnicas. “Estamos apenas olhando a ponta do iceberg, provavelmente”, disse Federica Govoni, do Instituto Nacional de Astrofísica de Cagliari, Itália, que liderou a primeira detecção.
A questão é: de onde vieram esses enormes campos magnéticos?
“Claramente não pode estar relacionado à atividade de galáxias únicas ou explosões únicas ou, eu não sei, ventos de supernovas”, disse Franco Vazza, astrofísico da Universidade de Bolonha que faz simulações de computador de última geração de campos magnéticos cósmicos. “Isso vai muito além disso.”
Uma possibilidade é que o magnetismo cósmico seja primordial, remontando ao nascimento do universo. Nesse caso, um magnetismo fraco deve existir em toda parte, mesmo nos “vazios” da teia cósmica – as regiões mais escuras e mais vazias do universo. O magnetismo onipresente teria semeado os campos mais fortes que floresceram em galáxias e aglomerados.
O magnetismo primordial também pode ajudar a resolver outro enigma cosmológico conhecido como tensão de Hubble – provavelmente o tópico mais quente da cosmologia.
O problema no centro da tensão do Hubble é que o universo parece estar se expandindo significativamente mais rápido do que o esperado, com base em seus ingredientes conhecidos. Em um artigo publicado online em abril e sob revisão da Physical Review Letters, os cosmólogos Karsten Jedamzik e Levon Pogosian argumentam que os campos magnéticos fracos no universo primitivo levariam a uma taxa de expansão cósmica mais rápida vista hoje.
O magnetismo primordial alivia a tensão de Hubble com tanta simplicidade que o artigo de Jedamzik e Pogosian chamou atenção rápida. “Este é um excelente artigo e idéia”, disse Marc Kamionkowski, cosmologista teórico da Universidade Johns Hopkins, que propôs outras soluções para a tensão do Hubble.
Kamionkowski e outros dizem que são necessárias mais verificações para garantir que o magnetismo inicial não descarte outros cálculos cosmológicos. E mesmo que a idéia funcione no papel, os pesquisadores precisarão encontrar evidências conclusivas de magnetismo primordial para garantir que é o agente que faltava para moldar o universo.
Ainda assim, em todos os anos de conversa sobre a tensão do Hubble, talvez seja estranho que ninguém tenha considerado o magnetismo antes. De acordo com Pogosian, professor da Universidade Simon Fraser, no Canadá, a maioria dos cosmólogos dificilmente pensa em magnetismo. “Todo mundo sabe que é um daqueles grandes quebra-cabeças”, disse ele. Mas, durante décadas, não havia como dizer se o magnetismo é realmente onipresente e, portanto, um componente primordial do cosmos, de modo que os cosmologistas pararam de prestar atenção.
Enquanto isso, os astrofísicos continuavam coletando dados. O peso da evidência levou a maioria deles a suspeitar que o magnetismo está de fato em toda parte.
A alma magnética do universo
No ano de 1600, os estudos do cientista inglês William Gilbert sobre magnetitas – rochas naturalmente magnetizadas que as pessoas moldavam em bússolas há milhares de anos – o levaram a opinar que sua força magnética “imita uma alma”. Ele corretamente supôs que a própria Terra é um “grande ímã”, e que as pedras de amolar “olham para os pólos da Terra”.
Os campos magnéticos surgem a qualquer momento nos fluxos de carga elétrica. O campo da Terra, por exemplo, emana de seu “dínamo” interno, a corrente de ferro líquido agitando em seu núcleo. Os campos de imãs de geladeira e pedras de amolar vêm de elétrons girando em torno de seus átomos constituintes.
Simulações cosmológicas ilustram duas explicações possíveis de como os campos magnéticos passaram a permear os aglomerados de galáxias. À esquerda, os campos crescem a partir de campos uniformes de “sementes” que encheram o cosmos nos momentos seguintes ao Big Bang. À direita, processos astrofísicos, como a formação de estrelas e o fluxo de matéria para buracos negros supermassivos, criam ventos magnetizados que brotam das galáxias.
No entanto, quando um campo magnético de “semente” surge de partículas carregadas em movimento, ele pode se tornar maior e mais forte alinhando campos mais fracos com ele. O magnetismo “é um pouco como um organismo vivo”, disse Torsten Enßlin, astrofísico teórico do Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching, Alemanha, “porque os campos magnéticos exploram todas as fontes de energia livre nas quais eles podem se apoiar e crescer. Eles podem se espalhar e afetar outras áreas com sua presença, onde também crescem.”
Ruth Durrer, uma cosmóloga teórica da Universidade de Genebra, explicou que o magnetismo é a única força à parte da gravidade que pode moldar a estrutura em larga escala do cosmos, porque apenas o magnetismo e a gravidade podem “chegar até você” através de grandes distâncias. A eletricidade, por outro lado, é local e de vida curta, uma vez que a carga positiva e negativa em qualquer região neutralizará em geral. Mas você não pode cancelar campos magnéticos; eles tendem a se acumular e sobreviver.
No entanto, apesar de todo o seu poder, esses campos de força mantêm perfis baixos. Eles são imateriais, perceptíveis apenas quando agem sobre outras coisas. “Você não pode tirar uma foto de um campo magnético; não funciona assim”, disse Reinout van Weeren, astrônomo da Universidade de Leiden, envolvido nas recentes detecções de filamentos magnetizados.
Em seu artigo no ano passado, van Weeren e 28 co-autores inferiram a presença de um campo magnético no filamento entre os aglomerados de galáxias Abell 399 e Abell 401 da maneira como o campo redireciona elétrons de alta velocidade e outras partículas carregadas que passam por ele. À medida que seus caminhos se distorcem no campo, essas partículas carregadas liberam fraca “radiação síncrotron”.
O sinal síncrotron é mais forte em baixas frequências de rádio, tornando-o adequado para a detecção pelo LOFAR, um conjunto de 20.000 antenas de rádio de baixa frequência espalhadas pela Europa.
A equipe realmente coletou dados do filamento em 2014 durante um único período de oito horas, mas os dados ficaram aguardando enquanto a comunidade de radioastronomia passava anos tentando descobrir como melhorar a calibração das medições do LOFAR. A atmosfera da Terra refrata as ondas de rádio que passam por ela, então LOFAR vê o cosmos como se estivesse no fundo de uma piscina. Os pesquisadores resolveram o problema rastreando a oscilação dos “faróis” no céu – emissores de rádio com locais precisamente conhecidos – e corrigindo essa oscilação para desfigurar todos os dados. Quando aplicaram o algoritmo de desfoque aos dados do filamento, viram imediatamente o brilho das emissões de síncrotron.
O filamento parece magnetizado por toda parte, não apenas perto dos aglomerados de galáxias que estão se movendo um para o outro a partir de cada extremidade. Os pesquisadores esperam que um conjunto de dados de 50 horas que estão analisando agora revele mais detalhes. Observações adicionais recentemente descobriram campos magnéticos que se estendem por um segundo filamento. Os pesquisadores planejam publicar este trabalho em breve.
A presença de enormes campos magnéticos em pelo menos esses dois filamentos fornece novas informações importantes. “Isso estimulou bastante atividade”, disse van Weeren, “porque agora sabemos que os campos magnéticos são relativamente fortes”.
Uma luz através dos vazios
Se esses campos magnéticos surgiram no universo infantil, a pergunta se torna: como? “As pessoas pensam sobre esse problema há muito tempo”, disse Tanmay Vachaspati, da Universidade Estadual do Arizona.
Em 1991, Vachaspati propôs que os campos magnéticos pudessem ter surgido durante a transição de fase eletro-fraca – o momento, uma fração de segundo após o Big Bang, quando as forças nucleares eletromagnética e fraca se tornaram distintas. Outros sugeriram que o magnetismo se materializou microssegundos mais tarde, quando os prótons se formaram. Ou logo depois: o falecido astrofísico Ted Harrison argumentou na teoria da magnetogênese primordial mais antiga de 1973 que o plasma turbulento de prótons e elétrons poderia ter gerado os primeiros campos magnéticos. Outros ainda propuseram que o espaço se magnetizou antes de tudo isso, durante a inflação cósmica – a expansão explosiva do espaço que supostamente impulsionou o próprio Big Bang. Também é possível que isso não tenha acontecido até o crescimento das estruturas, um bilhão de anos depois.
A maneira de testar as teorias da magnetogênese é estudar o padrão dos campos magnéticos nos trechos mais primitivos do espaço intergalático, como as partes silenciosas dos filamentos e os vazios ainda mais vazios. Certos detalhes – como se as linhas de campo são suaves, helicoidais ou “curvas em todos os sentidos, como um novelo de lã ou algo assim” (por Vachaspati) e como o padrão muda em lugares diferentes e em escalas diferentes – trazem informações valiosas que pode ser comparado a teoria e simulações. Por exemplo, se os campos magnéticos surgissem durante a transição de fase eletrofraca, como Vachaspati propôs, as linhas de campo resultantes deveriam ser helicoidais, “como um saca-rolhas”, disse ele.
O problema é que é difícil detectar campos de força que não têm nada para pressionar.
Um método, pioneiro pelo cientista inglês Michael Faraday em 1845, detecta um campo magnético pela maneira como gira a direção da polarização da luz que passa por ele. A quantidade de “rotação de Faraday” depende da força do campo magnético e da frequência da luz. Assim, medindo a polarização em diferentes frequências, é possível inferir a força do magnetismo ao longo da linha de visão. “Se você faz isso de lugares diferentes, pode fazer um mapa em 3D”, disse Enßlin.
Os pesquisadores começaram a fazer medições aproximadas da rotação de Faraday usando o LOFAR, mas o telescópio tem problemas para captar o sinal extremamente fraco. Valentina Vacca, astrônoma e colega de Govoni no Instituto Nacional de Astrofísica, desenvolveu um algoritmo alguns anos atrás para provocar estatisticamente os sutis sinais de rotação de Faraday, empilhando muitas medidas de lugares vazios. “Em princípio, isso pode ser usado para vazios”, disse Vacca.
Mas a técnica de Faraday realmente decolará quando o radiotelescópio de próxima geração, um gigantesco projeto internacional chamado Square Kilometer Array, iniciar em 2027. “O SKA deve produzir uma grade Faraday fantástica”, disse Enßlin.
Por enquanto, a única evidência de magnetismo nos vazios é o que os observadores não vêem quando olham para objetos chamados blazares localizados atrás dos vazios.
Blazares são feixes brilhantes de raios gama e outras luzes e matérias energéticas alimentadas por buracos negros supermassivos. À medida que os raios gama viajam pelo espaço, às vezes colidem com microondas antigas, transformando-se em elétron e pósitron como resultado. Essas partículas fracassam e se transformam em raios gama de menor energia.
Mas se a luz do blazar passar através de um vazio magnetizado, os raios gama de energia mais baixa parecerão estar ausentes, argumentou Andrii Neronov e Ievgen Vovk do Observatório de Genebra em 2010. O campo magnético desviará os elétrons e pósitrons da linha de vista. Quando eles se decompõem em raios gama de energia mais baixa, esses raios gama não serão apontados para nós.
De fato, quando Neronov e Vovk analisaram dados de um blazar localizado adequadamente, eles viram seus raios gama de alta energia, mas não o sinal de raios gama de baixa energia. “É a ausência de um sinal que é um sinal”, disse Vachaspati.
Um não sinal dificilmente é uma arma fumegante, e explicações alternativas para os raios gama ausentes foram sugeridas. No entanto, as observações de acompanhamento apontam cada vez mais a hipótese de Neronov e Vovk de que os espaços são magnetizados. “É a visão da maioria”, disse Durrer. O mais convincente é que, em 2015, uma equipe cobriu muitas medições de blazares por trás dos vazios e conseguiu provocar um leve halo de raios gama de baixa energia ao redor dos blazares. O efeito é exatamente o que seria esperado se as partículas estivessem sendo dispersas por fracos campos magnéticos – medindo apenas cerca de um milionésimo de bilionésimo de bilionésimo do tamanho de um imã de geladeira.
O maior mistério da cosmologia
Surpreendentemente, essa quantidade exata de magnetismo primordial pode ser exatamente o que é necessário para resolver a tensão de Hubble – o problema da expansão curiosamente rápida do universo.
Foi o que Pogosian percebeu quando viu simulações recentes de computador de Karsten Jedamzik, da Universidade de Montpellier, na França, e de um colaborador. Os pesquisadores adicionaram campos magnéticos fracos a um universo jovem simulado e repleto de plasma e descobriram que prótons e elétrons no plasma voavam ao longo das linhas do campo magnético e se acumulavam nas regiões de menor força de campo. Esse efeito de aglomeração fez com que os prótons e elétrons se combinassem em hidrogênio – uma mudança de fase inicial conhecida como recombinação – antes do que ocorreria de outra maneira.
Pogosian, lendo o jornal de Jedamzik, viu que isso poderia resolver a tensão do Hubble. Os cosmologistas calculam a rapidez com que o espaço deve se expandir hoje observando a luz antiga emitida durante a recombinação. A luz mostra um universo jovem repleto de bolhas formadas a partir de ondas sonoras que se agitam no plasma primordial. Se a recombinação ocorreu mais cedo do que o esperado devido ao efeito de aglomeração de campos magnéticos, as ondas sonoras não poderiam ter se propagado tão cedo, e os blobs resultantes seriam menores. Isso significa que as bolhas que vemos no céu desde o momento da recombinação devem estar mais próximas de nós do que os pesquisadores supunham. A luz proveniente das bolhas deve ter percorrido uma distância menor para chegar até nós, o que significa que a luz deve estar atravessando um espaço de expansão mais rápida. “É como tentar correr em uma superfície em expansão; você cobre menos distância” – disse Pogosian.
O resultado é que bolhas menores significam uma taxa de expansão cósmica inferida mais alta – aproximando a taxa inferida das medições de quão rápido as supernovas e outros objetos astronômicos parecem estar se separando.
“Eu pensei, uau”, disse Pogosian, “isso pode estar nos apontando para a presença real [de campos magnéticos”. Então eu escrevi para Karsten imediatamente. Os dois se reuniram em Montpellier em fevereiro, pouco antes do bloqueio. Seus cálculos indicaram que, de fato, a quantidade de magnetismo primordial necessária para lidar com a tensão de Hubble também concorda com as observações do blazar e com o tamanho estimado dos campos iniciais necessários para o crescimento dos enormes campos magnéticos que abrangem aglomerados e filamentos de galáxias. “Então, tudo se encaixa”, disse Pogosian, “se tudo estiver certo”.
Publicado em 04/07/2020 06h45
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