Os campos magnéticos são encontrados em todo o universo, desde planetas e estrelas até galáxias inteiras. Estas forças invisíveis influenciam grandes eventos e processos cósmicos, incluindo tempestades solares, o movimento de partículas de alta energia e até mesmo a formação de galáxias. Embora pequenos campos magnéticos sejam frequentemente caóticos e turbulentos, estruturas magnéticas muito maiores parecem surpreendentemente organizadas. Durante décadas, os cientistas tentaram explicar como a desordem no espaço pode criar uma ordem tão grande.
Agora, pesquisadores liderados por cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison acreditam ter descoberto a peça que faltava no quebra-cabeça.
Em um novo estudo publicado em Naturezaa equipe usou simulações de computador extremamente detalhadas para estudar os fluxos de plasma. Seus resultados mostram que grandes campos magnéticos podem ocorrer quando plasmas turbulentos desenvolvem correntes de jato organizadas. A descoberta fornece uma nova explicação sobre como os campos magnéticos cósmicos se formam e pode ajudar os cientistas a compreender melhor tudo, desde a formação de buracos negros até ao clima espacial perto da Terra.
“Os campos magnéticos em todo o espaço são de grande escala e ordenados, mas a nossa compreensão de como estes campos são gerados é que surgem de algum tipo de movimento turbulento,” afirma o autor principal do estudo, Bindesh Tripathi, antigo estudante de pós-doutoramento em física da UW-Madison e atual pós-doutorando na Universidade de Columbia. “Dado que a turbulência é conhecida por ser um agente perturbador, a questão permanece: como é que ela cria um campo construtivo e de grande escala?”
Em busca de ordem na turbulência cósmica
Antes de focar nos campos magnéticos tridimensionais (3D), Tripathi estudou sistemas envolvendo fluxos de fluidos e campos magnéticos bidimensionais (2D). Ao estudar imagens e vídeos de turbulência magnética tridimensional, ele percebeu que as estruturas magnéticas de grande escala se assemelhavam aos formatos de fluxos de grande escala.
No entanto, não foi fácil aplicar a dinâmica dos fluidos diretamente aos campos magnéticos. Os problemas de fluxo de fluidos muitas vezes podem ser simplificados em duas dimensões, mas a geração do campo magnético deve ser resolvida em todo o espaço tridimensional, o que complica bastante os cálculos.
Para lidar com o problema, os pesquisadores alteraram dois aspectos importantes de estudos anteriores.
O primeiro envolveu adicionar um gradiente de velocidade continuamente atualizado à simulação. Um gradiente de velocidade ocorre quando diferentes partes do sistema se movem em velocidades diferentes. Por exemplo, um ciclista que bate repentinamente em um meio-fio experimenta um gradiente acentuado de velocidade quando a bicicleta para, mas o impulso do ciclista continua avançando. Efeitos semelhantes ocorrem em todo o universo, inclusive dentro do Sol e durante fusões de estrelas de nêutrons. A equipe suspeitou que esses gradientes poderiam desempenhar um papel importante na formação de campos magnéticos.
Simulações de supercomputadores em grande escala revelam um padrão
O segundo passo importante foi o poder da computação. Os pesquisadores conduziram talvez a simulação mais detalhada da interação de campos magnéticos com gradientes de velocidade instáveis. O modelo deles usou 137 bilhões de pontos de grade no espaço 3D.
No total, a equipe executou aproximadamente 90 simulações, produzindo 0,25 petabytes de dados e consumindo quase 100 milhões de horas de processador no supercomputador Anvil da Purdue University.
“Começamos nossas simulações com um fluxo que tem um gradiente de velocidade, depois adicionamos algumas pequenas perturbações, como o deslocamento de uma partícula de fluido ser infinitamente pequeno, deixamos essa perturbação se propagar pelo sistema e crescer, e então analisamos os dados ao longo do tempo, “diz Tripathi. “Inicialmente, essas perturbações levam a fluxos turbulentos e campos magnéticos em estruturas de pequena escala, mas com o tempo elas se desenvolvem em estruturas maiores e ordenadas.”
Quando os pesquisadores repetiram as simulações sem preservar o gradiente de velocidade em grande escala, as estruturas magnéticas organizadas nunca se formaram. Em vez disso, o sistema permaneceu caótico e desorganizado.
“Então essa é realmente a chave principal: ter um gradiente de velocidade estável e em grande escala”, ressalta.
Resolvendo o antigo problema do campo magnético
Os cientistas estudam dínamos magnéticos, os processos que criam campos magnéticos, há cerca de 70 anos. No entanto, a maioria dos modelos teóricos luta para reproduzir as grandes e ordenadas estruturas magnéticas que os astrónomos realmente observam no espaço.
Paul Terry, professor de física na UW-Madison e autor sênior do estudo, acrescenta: “A geração de campo magnético do dínamo tem sido estudada extensivamente há 70 anos, com o infeliz resultado de que os campos gerados são quase sempre de pequena escala e altamente erráticos, ao contrário das observações.
Embora a nova teoria não possa ser testada diretamente no ambiente espacial distante, experiências laboratoriais anteriores apoiam as descobertas. Em 2012, pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Wisconsin observaram um comportamento do campo magnético que as teorias existentes não conseguiam explicar. Um novo modelo desenvolvido por Tripathi e seus colegas é mais consistente com estes resultados experimentais intrigantes.
Implicações para buracos negros, estrelas de nêutrons e clima espacial
As descobertas podem ter implicações importantes para a astrofísica.
“Este trabalho pode explicar a dinâmica magnética envolvida, por exemplo, nas fusões de estrelas de nêutrons e na formação de buracos negros, com aplicações diretas à astronomia multimensageira”, diz Tripathi. “Também poderia ajudar a compreender melhor os campos magnéticos estelares e a prever a emissão de gás do Sol para a Terra.”
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2409206) e pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0022257) através da Parceria DOE/NSF em Ciência e Engenharia Básica de Plasma. O supercomputador Anvil da Purdue University foi usado por meio da concessão TG-PHY130027 do programa Advanced Cyberinfraestrutura Coordenação Ecossistema: Serviços e Suporte (ACCESS) apoiado pela National Science Foundation (2138259, 2138286, 2138307, 2137603 e 2138296).
