Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Princeton propuseram uma solução inovadora para um mistério que intrigou os físicos por décadas. A questão é como a reconexão magnética, um processo universal que desencadeia explosões solares, luzes do norte e explosões de raios gama cósmicos, ocorre muito mais rápido do que a teoria diz que deveria ser possível. A resposta pode ajudar nas previsões de tempestades espaciais, explicar vários fenômenos astrofísicos de alta energia, e melhorar o confinamento do plasma em dispositivos magnéticos em forma de donut chamados tokamaks projetados para obter energia da fusão nuclear.

A reconexão magnética ocorre quando as linhas do campo magnético embutidas em um plasma - o quente, gás carregado que constitui 99 por cento do universo visível - convergem, separar e reconectar explosivamente. Este processo ocorre em chapas finas nas quais a corrente elétrica é fortemente concentrada.

De acordo com a teoria convencional, essas folhas podem ser altamente alongadas e restringir severamente a velocidade das linhas do campo magnético que se unem e se separam, tornando a reconexão rápida impossível. Contudo, observação mostra que a reconexão rápida existe, contradizendo previsões teóricas diretamente.

Teoria detalhada para reconexão rápida

Agora, físicos do PPPL e da Universidade de Princeton apresentaram uma teoria detalhada para o mecanismo que leva à reconexão rápida. Seu papel, publicado no jornal Física dos Plasmas em outubro, centra-se em um fenômeno denominado "instabilidade plasmóide" para explicar o início do processo de reconexão rápida. O apoio para esta pesquisa vem da National Science Foundation e do DOE Office of Science.

Instabilidade plasmóide, que divide as placas de corrente de plasma em pequenas ilhas magnéticas chamadas plasmóides, gerou um interesse considerável nos últimos anos como um possível mecanismo para uma reconexão rápida. Contudo, a identificação correta das propriedades da instabilidade tem sido evasiva.

O artigo de Física dos Plasmas aborda essa questão crucial. Ele apresenta "uma teoria quantitativa para o desenvolvimento da instabilidade plasmóide em placas de corrente de plasma que podem evoluir com o tempo", disse Luca Comisso, autor principal do estudo. Os co-autores são Manasvi Lingam e Yi-Ming Huang de PPPL e Princeton, e Amitava Bhattacharjee, chefe do Departamento de Teoria do PPPL e professor de ciências astrofísicas de Princeton.

Princípio de Pierre de Fermat

O artigo descreve como a instabilidade plasmóide começa em uma fase linear lenta que passa por um período de quiescência antes de acelerar para uma fase explosiva que desencadeia um aumento dramático na velocidade de reconexão magnética. Para determinar as características mais importantes dessa instabilidade, os pesquisadores adaptaram uma variante do "princípio do menor tempo" do século 17, originado pelo matemático Pierre de Fermat.

O uso deste princípio permitiu aos pesquisadores derivar equações para a duração da fase linear, e para calcular a taxa de crescimento e o número de plasmóides criados. Portanto, essa abordagem de menor tempo levou a uma fórmula quantitativa para o tempo de início da reconexão magnética rápida e a física por trás disso.

O jornal também surpreendeu. Os autores descobriram que tais relações não refletem as leis de poder tradicionais, em que uma quantidade varia como uma potência de outra. "É comum em todos os domínios da ciência buscar a existência de leis de potência, "escreveram os pesquisadores." Em contraste, descobrimos que as relações de escala da instabilidade plasmóide não são verdadeiras leis de potência - um resultado que nunca foi derivado ou previsto antes. "