Os campos magnéticos podem ser 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 maiores parecem surpreendentemente organizadas. Durante décadas, os cientistas têm lutado para explicar como a desordem no espaço poderia 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.
Em um novo estudo publicado em naturezaa equipe usou simulações de computador extremamente detalhadas para estudar o fluxo de plasma. Seus resultados mostram que grandes campos magnéticos surgem quando o plasma turbulento forma um fluxo organizado em forma de jato. A descoberta fornece uma nova explicação sobre como o campo magnético cósmico se forma 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 Universo são de grande escala e ordenados, mas a nossa compreensão de como estes campos surgem é que surgem de algum tipo de movimento turbulento,” disse o principal autor do estudo, Bindesh Tripathi, antigo estudante de pós-graduação em física da UW-Madison e agora investigador de pós-doutoramento na Universidade de Columbia. “Dado que a turbulência é considerada um fator destrutivo, a questão permanece: como ela cria um local construtivo em grande escala?”
Encontrando ordem na turbulência cósmica
Antes de focar nos campos magnéticos tridimensionais (3D), Tripathi estudou sistemas envolvendo fluxo de fluidos e campos magnéticos bidimensionais (2D). Ao examinar imagens e vídeos de turbulência magnética 3D, ele percebeu que estruturas magnéticas em grande escala se assemelhavam ao formato de fluxos em grande escala.
No entanto, aplicar diretamente a dinâmica dos fluidos aos campos magnéticos não é simples. Os problemas de fluxo de fluidos muitas vezes podem ser reduzidos a duas dimensões, mas a geração de campos magnéticos deve ser resolvida em todo o espaço 3D, tornando os cálculos mais difíceis.
Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores alteraram dois aspectos importantes de pesquisas anteriores.
A primeira envolve adicionar um gradiente de velocidade continuamente atualizado à simulação. Gradientes de velocidade ocorrem quando diferentes partes de um sistema se movem em velocidades diferentes. Por exemplo, um ciclista bate repentinamente em um meio-fio. Quando a bicicleta para, ela experimenta um gradiente acentuado de velocidade, 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 suspeita que esses gradientes possam desempenhar um papel importante na formação do campo magnético.
Simulações de supercomputadores em grande escala revelam um padrão
O segundo grande passo é o poder de computação. Os pesquisadores realizaram o que pode ser a simulação mais detalhada até o momento da interação de campos magnéticos com gradientes de velocidade instáveis. O modelo deles usa 137 bilhões de pontos de grade no espaço 3D.
No total, a equipe realizou aproximadamente 90 simulações, gerou 0,25 petabytes de dados e consumiu quase 100 milhões de horas de CPU no supercomputador Anvil da Purdue University.
“Começamos a simulação com um fluxo com gradiente de velocidade, depois adicionamos algumas pequenas perturbações, como mover uma partícula de fluido infinitamente, e deixamos essa perturbação se propagar e crescer através do sistema, e então analisar os dados ao longo do tempo”, disse Tripathi. “Inicialmente, essas perturbações causam turbulência e campos magnéticos em estruturas de pequena escala e, então, com o tempo, formam estruturas maiores e ordenadas.”
Quando os pesquisadores repetiram as simulações sem manter uma ampla gama de gradientes de velocidade, estruturas magnéticas organizadas nunca se formaram. Em vez disso, o sistema permanece caótico e desorganizado.
“Então essa é realmente a chave: ter um gradiente de velocidade estável e em grande escala”, enfatizou.
Resolvendo problemas de campo magnético de longa data
Os cientistas estudam magnetos (o processo que gera campos magnéticos) há cerca de 70 anos. No entanto, a maioria dos modelos teóricos luta para produzir as estruturas magnéticas grandes e ordenadas 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 geradores tem sido extensivamente estudada há 70 anos, com o resultado frustrante de que, ao contrário das observações, os campos gerados quase sempre acabam pequenos e altamente desordenados. Portanto, este trabalho tem o potencial de resolver um problema de longa data.”
Embora a nova teoria não possa ser testada diretamente em cenários cósmicos distantes, as primeiras experiências laboratoriais parecem apoiar as descobertas. Em 2012, pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Wisconsin observaram um comportamento do campo magnético que não podia ser explicado pelas teorias existentes. O novo modelo desenvolvido por Tripathi e seus colegas é mais consistente com os resultados experimentais intrigantes.
Efeitos em buracos negros, estrelas de nêutrons e clima espacial
Essas descobertas podem ter implicações importantes para a astrofísica como um todo.
“Este trabalho tem o potencial de explicar a dinâmica magnética relacionada com coisas como fusões de estrelas de neutrões e formação de buracos negros, com aplicações diretas à astronomia multi-mensageira”, disse Tripathi. “Também pode ajudar a compreender melhor os campos magnéticos estelares e a prever as ejeções de gás do Sol para a Terra.”
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2409206) e pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0022257) através da DOE/NSF Basic Plasma Science and Engineering Partnership. O supercomputador Anvil da Purdue University é usado pela alocação TG-PHY130027 por meio do programa Advanced Network Infrastructure Coordination Ecosystem: Services and Support (ACCESS), que é apoiado pela National Science Foundation (2138259, 2138286, 2138307, 2137603 e 2138296).
