Cortesia de Alisa Galishnikova
Uma nova teoria descreve como as interações de partículas alimentam a rápida reconexão magnética, o processo por trás das explosões solares e outros jatos astrofísicos.
Durante ataques fugazes, o sol ocasionalmente lança uma quantidade colossal de energia no espaço. Chamadas de explosões solares, essas erupções duram apenas alguns minutos e podem desencadear apagões catastróficos e auroras deslumbrantes na Terra. Mas nossas principais teorias matemáticas de como essas explosões funcionam falham em prever a força e a velocidade do que observamos.
No centro dessas explosões está um mecanismo que converte energia magnética em poderosas explosões de luz e partículas. Essa transformação é catalisada por um processo chamado reconexão magnética, no qual campos magnéticos em colisão se quebram e se realinham instantaneamente, arremessando material para o cosmos. Além de alimentar as explosões solares, a reconexão pode alimentar as partículas rápidas e de alta energia ejetadas pela explosão de estrelas, o brilho dos jatos dos buracos negros em festa e o vento constante soprado pelo sol.
Apesar da onipresença do fenômeno, os cientistas lutam para entender como ele funciona de forma tão eficiente. Uma teoria recente propõe que, quando se trata de resolver os mistérios da reconexão magnética, a física minúscula desempenha um grande papel. Em particular, explica por que alguns eventos de reconexão são tão incrivelmente rápidos – e por que os mais fortes parecem ocorrer em uma velocidade característica. Compreender os detalhes microfísicos da reconexão pode ajudar os pesquisadores a construir modelos melhores dessas erupções energéticas e entender as birras cósmicas.
“Até agora, esta é a melhor teoria que posso ver”, disse Hantao Ji, físico de plasma da Universidade de Princeton, que não participou do estudo. “É uma grande conquista.”
Atrapalhar-se com fluidos
Quase toda a matéria conhecida no universo existe na forma de plasma, uma sopa ardente de gás onde temperaturas infernais transformaram os átomos em partículas carregadas. À medida que se movimentam, essas partículas geram campos magnéticos, que guiam os movimentos das partículas. Essa interação caótica tece uma confusão embaralhada de linhas de campo magnético que, como elásticos, armazenam cada vez mais energia à medida que são esticadas e torcidas.
Na década de 1950, os cientistas propuseram uma explicação de como os plasmas ejetam sua energia reprimida, um processo que veio a ser chamado de reconexão magnética. Quando as linhas do campo magnético que apontam em direções opostas colidem, elas podem se encaixar e se conectar, lançando partículas como um estilingue de dois lados.
Mas essa ideia estava mais próxima de uma pintura abstrata do que de um modelo matemático completo. Os cientistas queriam entender os detalhes de como o processo funciona – os eventos que influenciam o estalo, a razão pela qual tanta energia é liberada. Mas a interação confusa de gás quente, partículas carregadas e campos magnéticos é difícil de domar matematicamente.
Cortesia de Alisa Galishnikova
A primeira teoria quantitativa, descrita em 1957 pelos astrofísicos Peter Sweet e Eugene Parker, trata os plasmas como fluidos magnetizados. Isso sugere que colisões de partículas com cargas opostas desenham linhas de campo magnético e desencadeiam uma cadeia descontrolada de eventos de reconexão. A teoria deles também prevê que esse processo ocorre em uma taxa específica. As taxas de reconexão observadas em plasmas forjados em laboratório relativamente fracos correspondem à sua previsão, assim como as taxas de jatos menores nas camadas inferiores da atmosfera do sol.
Mas as explosões solares liberam energia muito mais rapidamente do que a teoria de Sweet e Parker pode explicar. Pelos cálculos deles, essas chamas devem se desenrolar em meses, em vez de minutos.
Mais recentemente, observações dos satélites magnetosféricos da NASA identificaram essa reconexão mais rápida acontecendo ainda mais perto de casa, no próprio campo magnético da Terra. Essas observações, juntamente com evidências de décadas de simulações de computador, confirmam essa taxa de reconexão “rápida”: em plasmas mais energéticos, a reconexão ocorre em aproximadamente 10% da velocidade com que os campos magnéticos se propagam – ordens de magnitude mais rápidas do que a teoria de Sweet e Parker prevê.
A taxa de reconexão de 10% é observada de forma tão universal que muitos cientistas a consideram “um número dado por Deus”, disse Alisa Galishnikova, pesquisadora de Princeton. Mas invocar o divino faz pouco para explicar o que está tornando a reconexão tão rápida.
Número de Deus
Na década de 1990, os físicos deixaram de tratar os plasmas como fluidos, o que acabou sendo muito simplista. Ampliada, uma sopa magnetizada é realmente composta de partículas individuais. E como essas partículas interagem umas com as outras faz uma diferença crucial.
“Quando você chega às microescalas, a descrição do fluido começa a se decompor”, disse Amitava Bhattacharjee, físico de plasma em Princeton. “A imagem [microfísica] contém coisas que a imagem fluida nunca pode capturar.”
Nas últimas duas décadas, os físicos suspeitaram que um fenômeno eletromagnético conhecido como efeito Hall pode conter o segredo da reconexão rápida: elétrons carregados negativamente e íons carregados positivamente têm massas diferentes, então eles viajam ao longo das linhas do campo magnético em velocidades diferentes. Esse diferencial de velocidade gera uma tensão entre as cargas separadas.
Em 2001, Bhattacharjee e seus colegas mostraram que apenas os modelos que incluíam o efeito Hall produziam taxas de reconexão apropriadamente rápidas. Mas exatamente como essa voltagem produziu os 10% mágicos permaneceu um mistério. “Ele não nos mostrou o ‘como’ e o ‘por que'”, disse Yi-Hsin Liu, físico de plasma do Dartmouth College.
Estúdio de Visualização Científica da NASA
Agora, em dois artigos teóricos publicados recentemente, Liu e seus colegas tentaram preencher os detalhes.
O primeiro artigo, publicado na Communications Physics, descreve como a voltagem induz um campo magnético que atrai elétrons para longe do centro das duas regiões magnéticas em colisão. Esse desvio produz um vácuo que suga novas linhas de campo e as comprime no centro, permitindo que o estilingue magnético se forme mais rapidamente.
“Aquela imagem foi perdida – [mas] estava olhando para nós na cara”, disse Jim Drake, um físico de plasma da Universidade de Maryland. “Este é o primeiro argumento convincente que eu já vi.”
No segundo artigo, publicado na Physical Review Letters, Liu e seu assistente de pesquisa Matthew Goodbred descrevem como o mesmo efeito de vácuo surge em plasmas extremos contendo diferentes ingredientes. Ao redor dos buracos negros, por exemplo, acredita-se que os plasmas consistem em elétrons e pósitrons igualmente massivos, de modo que o efeito Hall não se aplica mais. No entanto, “magicamente, a reconexão ainda está funcionando de maneira semelhante”, disse Liu. Os pesquisadores propõem que, dentro desses campos magnéticos mais fortes, a maior parte da energia seja gasta acelerando as partículas em vez de aquecê-las – novamente criando uma diminuição da pressão que produz a taxa divina de 10%.
“É um marco importante teoricamente”, disse Lorenzo Sironi, um astrofísico teórico da Universidade de Columbia que trabalha em simulações de computador de jatos de plasma de alta energia. “Isso nos dá confiança? de que o que estamos vendo em nossas simulações não é uma loucura.”
Pegando Partículas
Os cientistas não podem modelar cada partícula individual em simulações de plasma em larga escala. Isso produziria bilhões de terabytes de dados e levaria centenas de anos para ser concluído, mesmo usando os supercomputadores mais avançados. Mas os pesquisadores descobriram recentemente como tratar um sistema tão pesado como um conjunto de partículas menor e mais gerenciável.
Para investigar a importância de considerar partículas individuais, Galishnikova e seus colegas compararam duas simulações de um buraco negro em acreção – uma tratando o plasma como um fluido homogêneo e a outra jogando cerca de um bilhão de partículas na mistura. Seus resultados, publicados em março na Physical Review Letters, mostram que a incorporação da microfísica leva a imagens distintas das explosões de um buraco negro, acelerações de partículas e variações de brilho.
Publicado em 27/05/2023 11h31
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