Quando olhamos para o espaço, todos os objetos astrofísicos que vemos estão embutidos em campos magnéticos. Isso é verdade não apenas na vizinhança de estrelas e planetas, mas também no espaço profundo entre galáxias e aglomerados galácticos. Esses campos são fracos – geralmente muito mais fracos do que os de um ímã de geladeira – mas são dinamicamente significativos no sentido de que têm efeitos profundos na dinâmica do universo. Apesar de décadas de intenso interesse e pesquisa, a origem desses campos magnéticos cósmicos continua sendo um dos mistérios mais profundos da cosmologia.
Em pesquisas anteriores, os cientistas entenderam como a turbulência, o movimento de agitação comum a fluidos de todos os tipos, poderia amplificar campos magnéticos preexistentes por meio do chamado processo de dínamo. Mas esta descoberta notável apenas empurrou o mistério um passo mais fundo. Se um dínamo turbulento pudesse apenas amplificar um campo existente, de onde veio o campo magnético "semente"?

Não teríamos uma resposta completa e autoconsistente para a origem dos campos magnéticos astrofísicos até entendermos como os campos-semente surgiram. Novo trabalho realizado pela estudante de pós-graduação do MIT Muni Zhou, seu orientador Nuno Loureiro, professor de ciência e engenharia nuclear do MIT, e colegas da Universidade de Princeton e da Universidade do Colorado em Boulder fornece uma resposta que mostra os processos básicos que geram um campo de um estado completamente desmagnetizado até o ponto em que é forte o suficiente para que o mecanismo do dínamo assuma e amplifique o campo para as magnitudes que observamos.

Os campos magnéticos estão por toda parte

Campos magnéticos que ocorrem naturalmente são vistos em todo o universo. Eles foram observados pela primeira vez na Terra há milhares de anos, por meio de sua interação com minerais magnetizados como a magnetita, e usados ​​para navegação muito antes que as pessoas tivessem qualquer compreensão de sua natureza ou origem. O magnetismo no sol foi descoberto no início do século 20 por seus efeitos no espectro de luz que o sol emitia. Desde então, telescópios mais poderosos olhando para as profundezas do espaço descobriram que os campos eram onipresentes.

E enquanto os cientistas há muito aprendiam a fazer e usar ímãs permanentes e eletroímãs, que tinham todos os tipos de aplicações práticas, as origens naturais dos campos magnéticos no universo permaneciam um mistério. Trabalhos recentes forneceram parte da resposta, mas muitos aspectos dessa questão ainda estão em debate.

Amplificação de campos magnéticos — o efeito dínamo

Os cientistas começaram a pensar sobre esse problema considerando a forma como os campos elétricos e magnéticos eram produzidos em laboratório. Quando condutores, como fios de cobre, se movem em campos magnéticos, campos elétricos são criados. Esses campos, ou tensões, podem então conduzir correntes elétricas. É assim que a eletricidade que usamos todos os dias é produzida. Através deste processo de indução, grandes geradores ou "dínamos" convertem energia mecânica em energia eletromagnética que alimenta nossas casas e escritórios. Uma característica fundamental dos dínamos é que eles precisam de campos magnéticos para funcionar.

Mas no universo não há fios óbvios ou grandes estruturas de aço, então como os campos surgem? O progresso neste problema começou há cerca de um século, quando os cientistas ponderaram a origem do campo magnético da Terra. Até então, estudos de propagação de ondas sísmicas mostraram que grande parte da Terra, abaixo das camadas superficiais mais frias do manto, era líquida e que havia um núcleo composto de níquel e ferro fundidos. Os pesquisadores teorizaram que o movimento convectivo desse líquido quente e eletricamente condutor e a rotação da Terra combinaram de alguma forma para gerar o campo da Terra.

Eventualmente, surgiram modelos que mostravam como o movimento convectivo poderia amplificar um campo existente. Este é um exemplo de "auto-organização" - uma característica frequentemente vista em sistemas dinâmicos complexos - onde estruturas de grande escala crescem espontaneamente a partir de dinâmicas de pequena escala. Mas, assim como em uma usina, você precisava de um campo magnético para criar um campo magnético.

Um processo semelhante está em funcionamento em todo o universo. No entanto, em estrelas e galáxias e no espaço entre elas, o fluido eletricamente condutor não é metal fundido, mas plasma – um estado da matéria que existe em temperaturas extremamente altas, onde os elétrons são arrancados de seus átomos. Na Terra, os plasmas podem ser vistos em relâmpagos ou luzes de néon. Em tal meio, o efeito dínamo pode amplificar um campo magnético existente, desde que comece em algum nível mínimo.

Fazendo os primeiros campos magnéticos

De onde vem este campo de sementes? É aí que o trabalho recente de Zhou e seus colegas, publicado em 5 de maio no PNAS , entra em cena. Zhou desenvolveu a teoria subjacente e realizou simulações numéricas em supercomputadores poderosos que mostram como o campo de sementes pode ser produzido e quais processos fundamentais estão em ação. Um aspecto importante do plasma que existe entre estrelas e galáxias é que ele é extraordinariamente difuso – normalmente cerca de uma partícula por metro cúbico. Essa é uma situação muito diferente do interior das estrelas, onde a densidade de partículas é cerca de 30 ordens de magnitude maior. As baixas densidades significam que as partículas em plasmas cosmológicos nunca colidem, o que tem efeitos importantes em seu comportamento que tiveram que ser incluídos no modelo que esses pesquisadores estavam desenvolvendo.

Os cálculos realizados pelos pesquisadores do MIT seguiram a dinâmica desses plasmas, que se desenvolveram a partir de ondas bem ordenadas, mas se tornaram turbulentas à medida que a amplitude crescia e as interações se tornavam fortemente não lineares. Ao incluir efeitos detalhados da dinâmica do plasma em pequenas escalas em processos astrofísicos macroscópicos, eles demonstraram que os primeiros campos magnéticos podem ser produzidos espontaneamente através de movimentos genéricos de grande escala tão simples quanto fluxos cisalhados. Assim como os exemplos terrestres, a energia mecânica foi convertida em energia magnética.

Uma saída importante de seu cálculo foi a amplitude do campo magnético gerado espontaneamente esperado. O que isso mostrou foi que a amplitude do campo pode subir de zero a um nível em que o plasma é "magnetizado" - isto é, onde a dinâmica do plasma é fortemente afetada pela presença do campo. Nesse ponto, o mecanismo tradicional do dínamo pode assumir o controle e elevar os campos aos níveis observados. Assim, seu trabalho representa um modelo autoconsistente para a geração de campos magnéticos em escala cosmológica.

A professora Ellen Zweibel da Universidade de Wisconsin em Madison observa que "apesar de décadas de notável progresso na cosmologia, a origem dos campos magnéticos no universo permanece desconhecida. É maravilhoso ver a teoria da física do plasma de última geração e a simulação numérica contribuíram para este problema fundamental."

Zhou e colaboradores continuarão a refinar seu modelo e estudar a transferência da geração do campo de sementes para a fase de amplificação do dínamo. Uma parte importante de sua pesquisa futura será determinar se o processo pode funcionar em uma escala de tempo consistente com observações astronômicas. Para citar os pesquisadores, "Este trabalho fornece o primeiro passo na construção de um novo paradigma para a compreensão da magnetogênese no universo". + Explorar mais

Rotação instantânea de magnetismo por movimento giroscópico de elétrons relativísticos

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.