De um enorme disco de gás e poeira girando em torno do sol, a Terra e os outros sete planetas de nosso sistema solar já se desenvolveram ao lado de suas luas. E o mesmo deve ter acontecido, cientistas acreditam, para os milhares de planetas extrasolares descobertos nas últimas décadas. Para obter mais informações, astrofísicos usam simulações de computador para investigar os processos de trabalho à medida que os planetas se formam a partir de tais discos protoplanetários, tais como o crescimento da massa de um planeta, bem como a formação de seu campo magnético. Até muito recentemente, esses dois processos - desenvolvimento do planeta e formação do campo magnético - foram campos separados de pesquisa e simulados em modelos separados. Mas agora, Lucio Mayer, Professor de Astrofísica Computacional na Universidade de Zurique e Gerente de Projetos no Centro Nacional de Competência em Planetas de Pesquisa, junto com seus colegas Hongping Deng, ex-Ph.D. estudante de Mayer, e Henrik Latter, Professor da Universidade de Cambridge, combinaram com sucesso os dois processos em uma simulação pela primeira vez. Os resultados já foram publicados no Astrophysical Journal .

Dois modelos em um

Os astrofísicos estão cientes de que a chamada instabilidade gravitacional (GI) de forma massiva, disco giratório de matéria desempenha um papel decisivo na formação dos planetas. Ele faz com que as partículas se "agrupem" de modo que estruturas de alta densidade, como braços espirais, sejam formados. A partir dessas estruturas aglomeradas, os planetas poderiam ter se construído rapidamente, durante um período de "apenas" centenas de milhares de anos, ou até menos. Contudo, os efeitos do campo magnético durante a instabilidade gravitacional foram negligenciados como ponto de estudo, até agora. Com a ajuda do supercomputador "Piz Daint" do Centro Nacional de Supercomputação da Suíça (CSCS) em Lugano, esses cientistas agora simularam o desenvolvimento do disco protoplanetário tanto sob a influência da gravidade quanto na presença de um campo magnético, descobrindo assim um mecanismo completamente novo que poderia explicar observações inexplicadas anteriormente.

Uma dessas observações inexplicáveis ​​é que os planetas em nosso sistema solar hoje giram muito mais lentamente do que o disco protoplanetário do qual devem ter surgido. Durante a formação dos planetas, bem como de estrelas e buracos negros, enormes quantidades de momento angular devem ser perdidas, mas como eles perderam esse ímpeto ainda não está claro. Este chamado problema de momento angular é bem conhecido na astrofísica. "Nosso novo mecanismo parece ser capaz de resolver e explicar este problema muito geral, "diz Mayer.

Realizando um sonho científico

Combinar os dois processos em uma simulação tem sido um sonho de Mayer por muitos anos. Contudo, os processos físicos subjacentes são complexos, e sua representação nas simulações exigia códigos sofisticados e alto poder de computação. Embora a realização do sonho tenha se aproximado cada vez mais com o aumento constante do poder de computação dos supercomputadores, não havia tempo para a descrição físico-matemática dos processos necessários para resolver o problema. Contudo, graças ao apoio e habilidades de Hongping Deng, que desenvolveu um método adequado, o sonho agora poderia se tornar realidade. A equipe experimentou esta nova técnica numérica, desenvolveu ainda mais, e otimizado para fazer o melhor uso possível da capacidade de desempenho de "Piz Daint."

Especificamente, os pesquisadores usaram e melhoraram o chamado método de partícula de malha híbrida para calcular o campo magnético, dinâmica de fluidos e gravidade. Neste método, a massa e a gravidade exercidas são calculadas usando partículas, cada um dos quais representa uma parte do sistema. A pressão térmica e o efeito do campo magnético são calculados com uma espécie de malha adaptativa virtual construída a partir das partículas, que, de acordo com os pesquisadores, permite alta precisão.

O método recentemente desenvolvido levou a resultados surpreendentes sobre a interação entre GI e o campo magnético. Foi mostrado que os braços espirais formados pela gravidade no disco protoplanetário agem como um dínamo, alongamento e fortalecimento da semente magnética. Como resultado, o campo magnético cresce e ganha força. Ao mesmo tempo, este processo gera muito mais calor no disco protoplanetário do que se supunha anteriormente. Mais surpreendente para os pesquisadores, Contudo, foi o fato de que o dínamo parece ter uma influência significativa no movimento da matéria. O dínamo empurra-o vigorosamente para dentro, para acumular na estrela, e para fora, longe do disco. Isso significa que o disco está evoluindo muito mais rápido do que as teorias anteriores sugeriam.

A interação aumenta o acúmulo e gera ventos

"A simulação mostra que a energia gerada pela interação do campo magnético em formação com a gravidade atua para fora e impulsiona um vento que lança matéria para fora do disco, "Mayer diz. Isso faria com que 90 por cento da massa fosse perdida em menos de um milhão de anos." Se isso for verdade, esta seria uma previsão desejável, porque muitos dos discos protoplanetários estudados com telescópios de um milhão de anos têm cerca de 90 por cento menos massa do que o previsto pelas simulações de formação de discos até agora, "explica o astrofísico. Por fim, a retirada de energia leva ao colapso da matéria e à perda de rotação. Os pesquisadores agora esperam ser capazes de observar os ventos e a ejeção de matéria nas fases iniciais da vida de discos protoplanetários com telescópios extremamente poderosos como o ALMA no Chile ou a matriz de quilômetros quadrados atualmente em construção.

Os pesquisadores acreditam que, através de seu trabalho, eles descobriram um mecanismo de fricção completamente novo, gerado pela interação do campo magnético e GI, que corrói significativamente o momento angular do disco. "Graças ao poderoso motor de ondas de densidade em espiral, nosso novo mecanismo de fricção parece ainda mais eficiente em regiões densas do disco protoplanetário, nas quais há menos partículas carregadas para sustentar o campo magnético, "Deng diz." Isso é diferente de qualquer outro mecanismo proposto anteriormente, que não poderia sustentar o campo magnético em tais regiões. "

Deng agora está fazendo pesquisas na Universidade de Cambridge como bolsista SNF. O novo objetivo é fundamentar os resultados da pesquisa, por exemplo, usando-os - também com outros grupos de pesquisa - para a simulação de diferentes estruturas cósmicas, como os primeiros grandes buracos negros se formando no universo no início da formação da galáxia.