p Em julho de 2012, uma poderosa tempestade solar quase atingiu a Terra. Os cientistas estimam que teve a tempestade, chamada de ejeção de massa coronal (CME), atingiu o planeta, o impacto teria paralisado as redes de energia em todo o mundo, queimar transformadores e instrumentos. p Uma sonda da NASA que por acaso estava no caminho do CME detectou algumas das partículas carregadas que continha. Os dados coletados pelo satélite mostraram que a tempestade foi duas vezes mais poderosa do que um evento de 1989 que destruiu toda a rede elétrica de Quebec, interrompeu o fornecimento de energia em todos os Estados Unidos e tornou as luzes do norte visíveis até o sul de Cuba. Na verdade, a tempestade recente pode ter sido mais forte do que o primeiro e mais poderoso CME conhecido por atingir o planeta, o evento Carrington. Aquela tempestade de 1859 espalhou faíscas de linhas telegráficas, atear fogo a estações telegráficas. Os pesquisadores estimam as chances de um CME do tamanho de Carrington ocorrer em 2024 - e possivelmente atingir a Terra - em 12 por cento.

p Esses eventos ocorrem quando as linhas de campo no enorme sistema magnético do Sol se encaixam e se reconectam. “Os campos magnéticos são um reservatório de uma enorme quantidade de energia, e grandes eventos eruptivos ocorrem nos quais essa energia é liberada, "diz Amitava Bhattacharjee, um físico de plasma no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL), uma instalação do Departamento de Energia em Princeton, Nova Jersey. "Partículas carregadas tendem a se prender a linhas de campo magnético, como contas em um fio - quando o fio se rompe, as contas são lançadas em velocidades enormes. "

p O fenomeno, conhecido como reconexão magnética rápida, permanece um mistério. Ninguém sabe como as linhas de campo se rompem e se reúnem rápido o suficiente para expulsar os bilhões de toneladas de material liberado em um CME, ou mesmo nas erupções menores de erupções solares comuns. Em experimentos e simulações de laboratório, Bhattacharjee e seus colegas revelaram novos mecanismos que ajudam a explicar a reconexão magnética rápida.

p Bhattacharjee tem buscado esses mecanismos desde a pós-graduação, quando ele percebeu que a física do plasma é "uma bela, campo clássico com equações maravilhosas que eram boas para analisar e fazer simulações de computador, "diz ele. Ao mesmo tempo, ele viu que os plasmas - que constituem 99,5 por cento do universo visível - também são a chave para "um problema muito prático e importante para a humanidade, a saber, energia de fusão magnética. "

p Por décadas, máquinas de fusão nuclear, como tokamaks em forma de donut, prometeram um fornecimento virtualmente ilimitado de energia relativamente limpa. Mas um dispositivo de fusão funcionando ainda está fora de alcance, em parte devido à rápida reconexão magnética. "Reatores de fusão magnética têm campos magnéticos neles, e esses campos magnéticos também podem se reconectar e causar instabilidades disruptivas dentro de um plasma de fusão tokamak, "diz Bhattacharjee, professor de ciências astrofísicas na Universidade de Princeton e chefe da Divisão de Teoria e Computação do PPPL.

p No presente modelo de reconexão, campos magnéticos opostos são empurrados juntos por alguma força externa, como correntes de plasma. Uma fina, formas de área de contato plana entre os dois campos, criando tensão nas linhas de campo. Nesta região tênue, chamada de planilha atual, partículas de plasma - íons e elétrons - colidem entre si, quebrando linhas de campo e permitindo que formem novos, conexões de baixa energia com parceiros do campo magnético oposto. Mas sob este modelo, as linhas se reconectam tão rápido quanto são empurradas para a folha atual - nem de longe rápido o suficiente para explicar o enorme derramamento de energia e partículas em um evento de reconexão rápida.

p Uma vez que este modelo de reconexão lenta depende de colisões de partículas de plasma, muitos grupos de pesquisa têm procurado efeitos sem colisão que possam ser responsáveis ​​por uma reconexão rápida. Explicações promissoras se concentram no comportamento das partículas carregadas na folha atual, onde a intensidade do campo é próxima de zero. Lá, as propriedades carregadas do massivo, íons lentos são suprimidos, e os elétrons ágeis estão livres para transportar a corrente e as linhas de campo de chicote para novas configurações.

p Para experimentos de laboratório em mecanismos ocultos, A equipe de Bhattacharjee usa lasers poderosos nas instalações Omega da Universidade de Rochester. Para desenvolver modelos de computador, o grupo usa Titan, um supercomputador Cray XK7 no Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação de usuário do DOE Office of Science, por meio do programa Inovador e Novo Impacto Computacional na Teoria e Experimento (INCITE) do Office of Science. O programa de Ciências de Energia de Fusão do Office of Science e a Administração Nacional de Segurança Nuclear do DOE patrocinam os experimentos.

p Em um experimento inicial liderado pelo físico pesquisador do PPPL Will Fox, a equipe apontou dois intensos lasers Omega em materiais que produzem bolhas de plasma sob os feixes. Cada bolha gerou espontaneamente seu próprio campo magnético por meio de um efeito conhecido como bateria de Biermann. Como acontece no sol e nos dispositivos de fusão nuclear, partículas de plasma carregadas alinhadas nas linhas do campo magnético. As bolhas se chocaram umas com as outras, e uma folha atual formada entre eles. A taxa de reconexão entre os campos foi rápida - rápida demais para a teoria clássica.

p "É onde estabelecemos pela primeira vez o mecanismo subjacente para a reconexão acontecendo nesta máquina, "Bhattacharjee diz. A equipe agora tinha um modelo para reconexão magnética rápida, um aplicável a experiências pioneiras anteriores conduzidas por grupos no Reino Unido e nos Estados Unidos. Uma simulação em Titã mostrou que mais linhas de campo foram amontoadas na folha atual do que qualquer um tinha percebido, um fenômeno chamado empilhamento de fluxo. O estudo mostrou que, além dos efeitos sem colisão sugeridos anteriormente, o acúmulo de fluxo desempenha um papel na reconexão rápida.

p Em experimentos posteriores liderados por Gennady Fiksel, agora na Universidade de Michigan, a equipe não queria depender apenas de campos magnéticos gerados espontaneamente. "Sentimos que precisávamos de maior controle sobre os campos magnéticos que estávamos usando para o processo de reconexão, "Bhattacharjee diz." E então usamos um gerador externo chamado MIFEDS (sistema de descarga elétrica de fusão magneto-inercial), que produzia campos magnéticos externos que poderíamos controlar. "

p Para capturar as mudanças neste campo, a equipe preencheu o espaço com um fino plasma de fundo, gerado por um terceiro laser, e imaginei usando um feixe de prótons, quais campos magnéticos desviam. Quando duas bolhas de plasma colidem com o campo magnético externo, a equipe criou a imagem mais nítida até agora dos eventos que acontecem na região onde as linhas de campo se reconectam. A nova configuração também mostrou acúmulo de fluxo, seguido por um evento de reconexão que incluiu pequenas bolhas de plasma se formando na região entre as bolhas e, finalmente, aniquilação abrupta do campo magnético.

p "O mecanismo que descobrimos é que você forma esta fina folha atual que pode então ser instável, no que chamamos de instabilidade plasmóide que divide esta fina folha de corrente em pequenas bolhas magnéticas, "Bhattacharjee diz." A instabilidade do plasmóide é um novo mecanismo para o início da reconexão rápida, que acontece em uma escala de tempo que é independente da resistência do plasma. "

p Bhattacharjee e seus colegas estão trabalhando para entender como sua descoberta se encaixa no quadro geral da atividade solar, tempestades solares e dispositivos de fusão nuclear. Uma vez que eles e a comunidade mais ampla de físicos de plasma entendam completamente a reconexão, a capacidade de prever CMEs e domar algumas das instabilidades de plasma dentro dos reatores tokamak, por exemplo, pode estar ao seu alcance.