Os físicos Jackson Matteucci e Will Fox com um pôster exibindo suas pesquisas.
(Foto de Elle Starkman / Office of Communications)
Forças magnéticas ondulam por todo o universo, desde os campos que rodeiam os planetas até as galáxias de preenchimento de gases, e podem ser lançadas por um fenômeno chamado efeito de bateria de Biermann. Agora, cientistas do Laboratório de Física de Princeton do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram que esse fenômeno pode não apenas gerar campos magnéticos, mas também destruí-los para desencadear a reconexão magnética - uma descoberta notável e surpreendente.
O efeito da bateria de Biermann, uma possível semente para os campos magnéticos que permeiam nosso universo, surge nos plasmas - o estado da matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos - quando a temperatura e a densidade do plasma estão desalinhadas. Os topos de tais plasmas podem ser mais quentes que os fundos, e a densidade pode ser maior no lado esquerdo do que no lado direito. Este desalinhamento dá origem a uma força eletromotriz que gera corrente que leva a campos magnéticos. O processo tem o nome de Ludwig Biermann, um astrofísico alemão que descobriu em 1950.
Revelado através de simulações de computador
As novas descobertas revelam através de simulações de computador um papel anteriormente desconhecido para o efeito de Biermann que poderia melhorar a compreensão da reconexão - a reconexão violenta de linhas de campo magnético em plasmas que dá origem a luzes do norte, erupções solares e tempestades geomagnéticas que podem atrapalhar serviço de telefonia celular e redes elétricas na Terra.
Os resultados "fornecem uma nova plataforma para replicar no laboratório a reconexão observada em plasmas astrofísicos", disse Jackson Matteucci, um estudante de pós-graduação do Programa de Física de Plasma no PPPL e autor principal de uma descrição do processo na Physical Review Letters . Coautores do documento incluem seus orientadores de tese, Will Fox, do PPPL, e Amitava Bhattacharjee, chefe do Departamento de Teoria do PPPL, e pesquisadores de outros laboratórios.
As simulações modeladas publicaram resultados de experimentos na China que estudaram a matéria-plasma de alta densidade de energia (HED) sob extrema pressão tal como existe no núcleo da Terra. Os experimentos, nos quais a PPPL não participou, usaram lasers para explodir um par de bolhas de plasma de um alvo de metal sólido. Simulações do plasma tridimensional traçaram a expansão das bolhas e dos campos magnéticos que o efeito de Biermann criou, e rastrearam a colisão dos campos para produzir reconexão magnética.
As simulações mostraram que a temperatura aumentou nas linhas de campo de reconexão e reverteu o papel do efeito de Biermann que originou as linhas. Por causa do pico, o efeito Biermann destruiu as linhas do campo magnético que ele criara, cortando-as como um par de tesouras cortando um elástico. Os campos fatiados são então reconectados a jusante, longe do ponto de reconexão original. “Esta é a primeira simulação a mostrar a reconexão magnética mediada por bateria Biermann”, disse Matteucci. "Esse processo nunca foi conhecido antes."
Rastreando bilhões de íons e elétrons
A modelagem dos experimentos em HED exigiu o rastreamento de bilhões de íons e elétrons interagindo uns com os outros e com os campos elétricos e magnéticos que seu movimento criou, nas chamadas simulações cinéticas em 3D. Os pesquisadores realizaram essas simulações no supercomputador Titan da OLCF (Oak Ridge Leadership Computing Facility) no Oak Ridge National Laboratory.
Desde então, os cientistas modelaram um experimento britânico e estão trabalhando em simulações de experimentos realizados no Laboratório de Laser Energética (LLE) da Universidade de Rochester e no National Ignition Facility do Lawrence Livermore National Laboratory.
Incluídos na equipe que foi co-autor do estudo estavam pesquisadores do Centro de Ciências Espaciais da Universidade de New Hampshire, o Centro de Ciência Óptica Ultra-rápida da Universidade de Michigan, o LLE e o Laboratório de Física de Plasmas da École Polytechnique de Paris. O apoio para este trabalho vem do Escritório de Ciência do DOE e do Programa de Bolsas de Estudos de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Defesa Nacional (NDSEG) do Departamento de Defesa. O OLCF é uma instalação de usuário do Office of Science do DOE.
O PPPL, no Forrestal Campus da Universidade de Princeton, em Plainsboro, Nova Jersey, dedica-se à criação de novos conhecimentos sobre a física dos plasmas - gases ultra-quentes e carregados - e ao desenvolvimento de soluções práticas para a criação de energia de fusão. O Laboratório é administrado pela Universidade para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, que é o maior defensor individual da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos, e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes do nosso tempo.
Para mais informações, visite U.S. Departament Of Energy
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