O universo está cheio de campos magnéticos. Compreender como os campos magnéticos são gerados e amplificados nos plasmas é essencial para estudar como grandes estruturas no universo foram formadas e como a energia é dividida em todo o cosmos.
Uma colaboração internacional, co-liderada por pesquisadores da University of Rochester, da University of Oxford e da University of Chicago, conduziu experimentos que capturaram pela primeira vez em um laboratório a história do crescimento de campos magnéticos por turbulentos dínamo, um mecanismo físico considerado responsável por gerar e sustentar campos magnéticos astrofísicos.
Os experimentos acessaram condições relevantes para a maioria dos plasmas no universo e quantificaram a taxa na qual o dínamo turbulento amplifica os campos magnéticos, uma propriedade anteriormente derivada apenas de previsões teóricas e simulações numéricas. A rápida amplificação que eles encontraram excede as expectativas teóricas e pode ajudar a explicar a origem dos campos de grande escala atuais que são observados em aglomerados de galáxias. Seus resultados foram publicados em 8 de março na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Os pesquisadores – parte da equipe Turbulent Dynamo (TDYNO) – conduziram sua pesquisa experimental no Omega Laser Facility no Laboratório de Laser Energética da Universidade de Rochester (LLE), onde haviam demonstrado experimentalmente a existência do mecanismo turbulento do dínamo. Essa descoberta rendeu à equipe o Prêmio John Dawson 2019 de Excelência em Pesquisa em Física de Plasma da American Physical Society.
Em seus experimentos mais recentes no Omega Laser Facilty, os pesquisadores usaram feixes de laser cuja potência total é equivalente a 10.000 reatores nucleares. Eles foram capazes de alcançar condições relevantes para o plasma quente e difuso do meio intracluster no qual se acredita que o mecanismo turbulento do dínamo funcione. A equipe então mediu em função do tempo a amplificação do campo magnético produzida por esse mecanismo.
“Entender como e em que taxas os campos magnéticos são amplificados em escalas macroscópicas na turbulência astrofísica é a chave para explicar os campos magnéticos vistos em aglomerados de galáxias, as maiores estruturas do Universo”, disse Archie Bott, um pós-doutorando associado do Departamento de Astrofísica Ciências em Princeton e principal autor do estudo. “Embora os modelos numéricos e a teoria prevejam a amplificação do dínamo turbulento rápido em escalas muito pequenas em comparação com os movimentos turbulentos, permaneceu incerto se o mecanismo opera rápido o suficiente para contabilizar campos dinamicamente significativos nas escalas maiores.”
No centro do mecanismo do dínamo astrofísico está a turbulência. Os campos magnéticos primordiais são gerados com intensidades consideravelmente menores do que aquelas vistas hoje em aglomerados de galáxias. Os movimentos estocásticos de plasma, no entanto, podem pegar esses campos “semente” fracos e amplificar suas forças para valores significativamente maiores por meio do alongamento, torção e dobra do campo. A taxa na qual essa amplificação acontece, a “taxa de crescimento”, difere para as diferentes escalas espaciais dos movimentos do plasma turbulento: a teoria e as simulações preveem que a taxa de crescimento é grande nas menores escalas de comprimento, mas muito menor em escalas de comprimento comparáveis àquelas dos maiores movimentos turbulentos. Os experimentos TDYNO demonstraram que pode não ser o caso: o dínamo turbulento – quando operando em um plasma realista – pode gerar campos magnéticos em grande escala muito mais rapidamente do que o esperado atualmente pelos teóricos.
“Nossa compreensão teórica do funcionamento do dínamo turbulento cresceu continuamente por mais de meio século”, diz Gianluca Gregori, professor de física do Departamento de Física da Universidade de Oxford e líder experimental do projeto. “Nossos recentes experimentos com laser TDYNO foram capazes de abordar pela primeira vez como o dínamo turbulento evolui com o tempo, permitindo-nos medir experimentalmente sua taxa de crescimento real.”
Esses experimentos são parte de um esforço concertado da equipe TDYNO para responder a questões-chave que são debatidas na literatura de dínamo turbulento, estabelecendo experimentos de laboratório como um componente no estudo de plasmas magnetizados turbulentos. A colaboração construiu uma plataforma experimental inovadora que, juntamente com o poder do laser OMEGA, permite à equipe sondar os diferentes regimes de plasma relevantes para vários sistemas astrofísicos. Os experimentos são projetados usando simulações numéricas realizadas com o código FLASH, um código de simulação disponível publicamente que pode modelar com precisão experimentos de plasma de laboratório a laser. O FLASH é desenvolvido pelo Flash Center for Computational Science, que recentemente se mudou da University of Chicago para a University of Rochester.
“A capacidade de fazer modelagem preditiva de alta fidelidade com FLASH e os recursos de diagnóstico de última geração da unidade de laser Omega no LLE colocaram nossa equipe em uma posição única para avançar decisivamente em nossa compreensão de como o magnético cósmico campos passam a existir “, diz Petros Tzeferacos, professor associado do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Rochester e cientista sênior do LLE – o líder da simulação do projeto. Tzeferacos também atua como diretor do Flash Center em Rochester.
“Este trabalho abre caminho para investigações de laboratório de uma variedade de processos astrofísicos mediados por turbulência magnetizada”, acrescenta Don Lamb, o Distinguished Service Professor Emérito em Astronomia e Astrofísica da Universidade de Chicago da Robert A. Millikan e investigador principal do TDYNO National Projeto Laser User’s Facility (NLUF). “É realmente emocionante ver os resultados científicos que a engenhosidade desta equipe está possibilitando.”
Publicado em 13/03/2021 16h09
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