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, muitas estruturas magnéticas grandes são surpreendentemente organizadas. Durante décadas, os cientistas têm lutado para explicar como o caos no espaço pode criar ordem em tão grande escala.
Agora, pesquisadores liderados por cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison acreditam ter descoberto a peça que faltava no quebra-cabeça.
Um novo estudo publicado em a naturezaA equipe usou simulações de computador altamente detalhadas para estudar o fluxo de plasma. Seus resultados sugerem que grandes campos magnéticos podem surgir quando o plasma turbulento desenvolve fluxos organizados em forma de jato. A descoberta introduz 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 próximo da Terra.
“Os campos magnéticos são de grande escala e ordenados em todo o Universo, mas a nossa compreensão de como estes campos se formam é que eles provêm de uma espécie de movimento turbulento,” disse o principal autor do estudo, Veesh Tripathi, antigo estudante de licenciatura em física da UW-Madison e actual investigador de pós-doutoramento na Universidade de Columbia. “Dado que a turbulência é conhecida por ser um agente destrutivo, a questão permanece: como ela cria um campo construtivo em grande escala?”
Procurando por ordem na turbulência cósmica
Antes de focar nos campos magnéticos tridimensionais (3D), Tripathi estudou sistemas envolvendo fluxo de fluidos e campos magnéticos bidimensionais (2D). Examinando imagens e vídeos de turbulência magnética 3D, ele notou que estruturas magnéticas em grande escala se assemelhavam a padrões de fluxo em grande escala.
No entanto, aplicar a dinâmica dos fluidos diretamente aos campos magnéticos não foi simples. Os problemas de fluxo de fluidos muitas vezes podem ser simplificados para duas dimensões, mas a geração do campo magnético deve ser resolvida em todo o espaço 3D, o que torna os cálculos mais difíceis.
Para enfrentar o desafio, os pesquisadores modificaram dois aspectos importantes de pesquisas anteriores.
A primeira envolve adicionar um gradiente contínuo de velocidade de renovação às simulações. Um gradiente de velocidade ocorre quando diferentes partes de um 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 ciclista acelera para frente. Efeitos semelhantes são observados 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 massivas de supercomputadores revelam um padrão
O segundo grande passo foi o poder da computação. Os pesquisadores realizaram o que pode ser a simulação mais detalhada de campos magnéticos interagindo com gradientes de velocidade instáveis. O modelo deles usou 137 bilhões de pontos de grade no espaço 3D.
No total, a equipe realizou cerca de 90 simulações, gerando 0,25 petabytes de dados e usando quase 100 milhões de horas de CPU no supercomputador Anvil da Universidade Purdue.
“Começamos nossas simulações com um fluxo que tem um gradiente de velocidade, depois adicionamos algumas pequenas perturbações, como uma partícula fluida se movendo no infinito, deixamos essa perturbação se propagar pelo sistema e crescer, e então analisamos os dados ao longo do tempo, “diz Tripathi. “Inicialmente, estas perturbações levam a fluxos turbulentos e campos magnéticos em estruturas de pequena escala, depois, com o tempo, emergem em estruturas maiores e ordenadas.”
Quando os pesquisadores repetiram as simulações sem manter gradientes de velocidade em grande escala, estruturas magnéticas organizadas nunca se formaram. Em vez disso, o sistema era caótico e caótico.
“Então essa é realmente a chave: ter um gradiente de velocidade constante e em grande escala”, enfatiza ele.
Resolvendo o problema do campo magnético persistente
Os cientistas estudam dínamos magnéticos, os mecanismos que criam campos magnéticos, há quase 70 anos. No entanto, a maioria dos modelos teóricos tem lutado 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, acrescentou: “A geração de campos magnéticos por meio de dínamos tem sido estudada extensivamente há 70 anos, com o resultado decepcionante de que os campos gerados quase sempre acabam sendo pequenos e altamente caóticos, ao contrário das observações.
Embora a nova teoria não possa ser testada diretamente no ambiente cósmico distante, experiências laboratoriais anteriores parecem apoiar 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. O novo modelo desenvolvido por Tripathi e seus colegas alinha-se mais estreitamente com os resultados experimentais intrigantes.
Efeitos de buracos negros, estrelas de nêutrons e clima espacial
Os resultados podem ter implicações importantes em toda a astrofísica.
“Este trabalho tem o potencial de elucidar a magnetodinâmica relevante, por exemplo, para fusões de estrelas de nêutrons e formação de buracos negros, com aplicação direta à astronomia multimensageira”, diz Tripathi. “Isto poderia ajudar-nos a compreender melhor os campos magnéticos estelares e a prever as emissões de gases do Sol em direção à 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), financiado pela National Science Foundation (2138259, 2138286, 21238259, 21382363137 e 21383637). suportado
