Cientistas da Universidade de Wisconsin-Madison realizaram simulações de plasma para desvendar um dos maiores mistérios da astrofísica: a origem de campos magnéticos organizados no cosmos a partir de turbulências caóticas. A pesquisa, publicada na revista Nature e destacada por Science Daily, mostrou que fluxos de plasma desenvolvem jatos estruturados sob gradiente de velocidade constante.
Os campos magnéticos, presentes em toda parte no universo, influenciam desde tempestades solares até a formação de galáxias. A teoria dos dínamos magnéticos, que explica a geração desses campos, enfrentava dificuldades em mostrar como a desordem turbulenta poderia resultar em ordem em grande escala, um impasse que durou setenta anos.
Bindesh Tripathi, ex-aluno de pós-graduação em física da UW-Madison e atualmente pesquisador de pós-doutorado na Universidade Columbia, observou que estruturas magnéticas tridimensionais em simulações anteriores eram parecidas com fluxos de grande escala. A equipe introduziu um gradiente de velocidade no modelo, reproduzindo o efeito de diferentes partes de um sistema se movendo a velocidades distintas.
O modelo utilizou 137 bilhões de pontos de grade em espaço tridimensional, exigindo cerca de 90 simulações que geraram 0,25 petabytes de dados. O trabalho consumiu quase 100 milhões de horas de CPU no supercomputador Anvil, mantido pela Universidade Purdue e acessado via programa ACCESS da National Science Foundation.
Inicialmente, as perturbações produziram campos magnéticos turbulentos e de pequena escala, mas, gradualmente, emergiram estruturas magnéticas grandes e altamente ordenadas. Simulações sem o gradiente de velocidade resultaram em sistemas caóticos, sem formação de estruturas magnéticas organizadas.
Paul Terry, professor da UW-Madison e autor sênior do artigo, destacou que a geração de campos magnéticos por dínamos resultava em estruturas de pequena escala e desordenadas, ao contrário do observado no espaço. O novo trabalho resolve essa contradição histórica.
A teoria não pode ser testada diretamente em ambientes cósmicos distantes, mas experimentos em 2012 no Wisconsin Plasma Physics Laboratory já haviam registrado comportamentos magnéticos inexplicados pelas teorias disponíveis. O modelo de Tripathi se alinha melhor com esses resultados experimentais, reforçando sua validade.
As implicações da descoberta abrangem a compreensão da dinâmica magnética em fusões de estrelas de nêutrons, formação de buracos negros e aplicações na astronomia multiemissária. O avanço também pode ajudar a prever ejeções de gás solar e melhorar a previsão do clima espacial, protegendo satélites e redes elétricas.
A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA, pela parceria DOE/NSF em Ciência e Engenharia de Plasma Básico. O supercomputador Anvil foi utilizado sob a alocação TG-PHY130027, viabilizada pelo programa Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support.
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