Introdução
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 o rápido, partículas de alta energia ejetado pela explosão de estrelas, o brilho de jatos de festejar buracos negros, e as vento constante soprado pelo sol.
Apesar da onipresença do fenômeno, os cientistas lutam para entender como ele funciona de forma tão eficiente. A 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, um físico de plasma da Universidade de Princeton que não esteve envolvido no 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 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 mais e 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.
O primeiro quantitativo teoria, descrito 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 solar.
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 da NASA satélites magnetosféricos identificou 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 tão universalmente que muitos cientistas a consideram “o número dado por Deus”, disse Alice Galishnikova, um pesquisador em Princeton. Mas invocar o divino pouco explica 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, um 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 mostrou que apenas os modelos que incluíam o efeito Hall produziram taxas de reconexão adequadamente rápidas. Mas exatamente como essa voltagem produziu os 10% mágicos permaneceu um mistério. “Não nos mostrou o 'como' e o 'porquê'”, disse Yi-Hsin Liu, físico de plasma do Dartmouth College.
Introdução
Agora, em dois artigos teóricos publicados recentemente, Liu e seus colegas tentaram preencher os detalhes.
A primeiro papel, publicado em Física das Comunicações, 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 foto 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 já vi.”
No segundo papel, publicado em 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 maluco.”
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, publicado em março em Physical Review Letters, mostram que incorporar a microfísica leva a imagens distintamente diferentes das chamas de um buraco negro, acelerações de partículas e variações no brilho.
Agora, os cientistas esperam que avanços teóricos como o de Liu levem a modelos de reconexão magnética que reflitam com mais precisão a natureza. Mas, embora sua teoria vise resolver o problema da taxa de reconexão, ela não explica por que algumas linhas de campo colidem e acionam a reconexão, mas outras não. Também não descreve como a energia que flui é dividida em jatos, calor e raios cósmicos – ou como tudo isso funciona em três dimensões e em escalas maiores. Ainda assim, o trabalho de Liu mostra como, nas circunstâncias certas, a reconexão magnética pode ser eficiente o suficiente para gerar explosões celestiais efêmeras, mas violentas.
“Você tem que responder à pergunta 'por que' – essa é uma parte crucial do avanço da ciência”, disse Drake. “Ter a confiança de que entendemos o mecanismo nos dá uma capacidade muito melhor de tentar descobrir o que está acontecendo.”
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- Fonte: https://www.quantamagazine.org/the-tiny-physics-behind-immense-cosmic-eruptions-20230515/
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