O universo é altamente magnético, com tudo, desde estrelas a planetas e galáxias produzindo seus próprios campos magnéticos. Os astrofísicos há muito se intrigam com esses campos surpreendentemente fortes e de longa vida, com teorias e simulações buscando um mecanismo que explique sua geração.

Usando uma das instalações de laser mais poderosas do mundo, uma equipe liderada por cientistas da Universidade de Chicago confirmou experimentalmente uma das teorias mais populares para a geração de campos magnéticos cósmicos:o dínamo turbulento. Ao criar um plasma turbulento quente do tamanho de uma moeda de um centavo, que dura alguns bilionésimos de segundo, os pesquisadores registraram como os movimentos turbulentos podem amplificar um campo magnético fraco para as forças observadas em nosso sol, estrelas distantes, e galáxias.

O papel, publicado esta semana em Nature Communications , é a primeira demonstração de laboratório de uma teoria, explicando o campo magnético de vários corpos cósmicos, debatido por físicos por quase um século. Usando o código de simulação física FLASH, desenvolvido pelo Flash Center for Computational Science da UChicago, os pesquisadores desenvolveram um experimento conduzido nas instalações de laser OMEGA em Rochester, NY para recriar condições turbulentas de dínamo.

Confirmando décadas de simulações numéricas, o experimento revelou que o plasma turbulento pode aumentar dramaticamente um campo magnético fraco até a magnitude observada por astrônomos em estrelas e galáxias.

"Agora sabemos com certeza que existe um dínamo turbulento, e que é um dos mecanismos que podem realmente explicar a magnetização do universo, "disse Petros Tzeferacos, professor assistente de pesquisa de astronomia e astrofísica e diretor associado do Flash Center. "Isso é algo que esperávamos saber, mas agora temos. "

Um dínamo mecânico produz uma corrente elétrica girando bobinas através de um campo magnético. Na astrofísica, a teoria do dínamo propõe o inverso:o movimento de um fluido condutor de eletricidade cria e mantém um campo magnético. No início do século 20, o físico Joseph Larmor propôs que tal mecanismo poderia explicar o magnetismo da Terra e do Sol, inspirando décadas de debate e investigação científica.

Enquanto as simulações numéricas demonstraram que o plasma turbulento pode gerar campos magnéticos na escala daqueles observados nas estrelas, planetas, e galáxias, criar um dínamo turbulento em laboratório era muito mais difícil. A confirmação da teoria requer a produção de plasma em temperatura e volatilidade extremamente altas para produzir turbulência suficiente para dobrar, esticar e amplificar o campo magnético.

Para projetar um experimento que crie essas condições, Tzeferacos e colegas da UChicago e da Universidade de Oxford executaram centenas de simulações bidimensionais e tridimensionais com FLASH no supercomputador Mira no Laboratório Nacional de Argonne. A configuração final envolveu explodir duas peças do tamanho de um centavo de folha com lasers poderosos, impulsionando dois jatos de plasma através de grades e colidindo entre si, criando movimento fluido turbulento.

"Há muito tempo as pessoas sonham em fazer esse experimento com lasers, mas realmente foi necessária a engenhosidade desta equipe para fazer isso acontecer, "disse Donald Lamb, Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emérito em Astronomia e Astrofísica e diretor do Flash Center. "Este é um grande avanço."

A equipe também usou simulações FLASH para desenvolver dois métodos independentes para medir o campo magnético produzido pelo plasma:radiografia de prótons, assunto de um artigo recente do grupo FLASH, e luz polarizada, com base em como os astrônomos medem os campos magnéticos de objetos distantes. Ambas as medições acompanharam o crescimento em meros nanossegundos do campo magnético de seu estado inicial fraco a mais de 100 quiloGauss - mais forte do que um scanner de ressonância magnética de alta resolução e um milhão de vezes mais forte do que o campo magnético da Terra.

“Este trabalho abre a oportunidade de verificar experimentalmente ideias e conceitos sobre a origem dos campos magnéticos no universo que foram propostos e estudados teoricamente ao longo de quase um século, "disse Fausto Cattaneo, Professor de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Chicago e co-autor do artigo.

Agora que um dínamo turbulento pode ser criado em um laboratório, os cientistas podem explorar questões mais profundas sobre sua função:com que rapidez o campo magnético aumenta em força? Quão forte pode o campo ficar? Como o campo magnético altera a turbulência que o amplificou?

"Uma coisa é ter teorias bem desenvolvidas, mas outra coisa é realmente demonstrá-lo em um ambiente controlado de laboratório, onde você pode fazer todos esses tipos de medições sobre o que está acontecendo, "Lamb disse." Agora que podemos fazer isso, podemos cutucá-lo e sondá-lo. "