Cientistas da missão MMS da NASA quebram o mistério de 60 anos de explosões magnéticas rápidas

 

Em apenas alguns minutos, uma explosão no Sol pode liberar energia suficiente para alimentar o mundo inteiro por 20.000 anos. Um processo explosivo chamado reconexão magnética desencadeia essas explosões solares e os cientistas passaram o último meio século tentando entender como o processo acontece. 

Não é apenas uma curiosidade científica: uma compreensão mais completa da reconexão magnética pode permitir insights sobre a fusão nuclear e fornecer melhores previsões de tempestades de partículas do Sol que podem afetar a tecnologia em órbita da Terra. 

Agora, os cientistas da Missão Magnetosférica Multiescala da NASA, ou MMS, acham que descobriram. Os cientistas desenvolveram uma teoria que explica como ocorre o tipo mais explosivo de reconexão magnética – chamada reconexão rápida – e por que acontece em uma velocidade consistente. A nova teoria usa um efeito magnético comum que é usado em dispositivos domésticos, como sensores que cronometram os sistemas de frenagem antitravamento do veículo e sabem quando a tampa do telefone celular está fechada. 

“Finalmente entendemos o que torna esse tipo de reconexão magnética tão rápida”, disse o principal autor do novo estudo Yi-Hsin Liu, professor de física do Dartmouth College em New Hampshire e vice-líder da equipe de teoria e modelagem do MMS. “Agora temos uma teoria para explicá-lo completamente.” 

Esta visualização mostra o efeito Hall, que ocorre quando o movimento dos íons mais pesados ​​(azul) se desacoplam dos elétrons mais leves (vermelho) à medida que entram na região com fortes correntes elétricas (região dourada). Créditos: Tom Bridgman/NASA's Scientific Visualization Studio

A reconexão magnética é um processo que ocorre no plasma, às vezes chamado de quarto estado da matéria. O plasma se forma quando um gás é energizado o suficiente para separar seus átomos, deixando uma mistura de elétrons carregados negativamente e íons carregados positivamente lado a lado. Este material energético e fluido é extremamente sensível a campos magnéticos. 

De erupções no Sol, ao espaço próximo à Terra, a buracos negros, os plasmas em todo o universo sofrem reconexão magnética, que converte rapidamente a energia magnética em calor e aceleração. Embora existam vários tipos de reconexão magnética, uma variante particularmente intrigante é conhecida como reconexão rápida, que ocorre a uma taxa previsível. 

“Sabemos há algum tempo que a reconexão rápida acontece a uma certa taxa que parece ser bastante constante”, disse Barbara Giles, cientista do projeto MMS e cientista de pesquisa do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. “Mas o que realmente impulsiona essa taxa tem sido um mistério, até agora.” 

A nova pesquisa, publicada em um artigo na revista Nature's Communications Physics e financiada em parte pela National Science Foundation, explica a rapidez com que a reconexão ocorre especificamente em plasmas sem colisões - um tipo de plasma cujas partículas estão espalhadas o suficiente para que as partículas individuais não colidem umas com as outras. Onde a reconexão acontece no espaço, a maior parte do plasma está nesse estado sem colisões, incluindo o plasma em erupções solares e o espaço ao redor da Terra. 

A nova teoria mostra como e por que a reconexão rápida provavelmente é acelerada pelo efeito Hall, que descreve a interação entre campos magnéticos e correntes elétricas. O efeito Hall é um fenômeno magnético comum usado na tecnologia cotidiana, como sensores de velocidade de rodas de veículos e impressoras 3D, onde os sensores medem velocidade, proximidade, posicionamento ou correntes elétricas. 

Durante a reconexão magnética rápida, as partículas carregadas em um plasma – ou seja, íons e elétrons – param de se mover como um grupo. À medida que os íons e elétrons começam a se mover separadamente, eles dão origem ao efeito Hall, criando um vácuo de energia instável onde ocorre a reconexão. A pressão dos campos magnéticos ao redor do vácuo de energia faz com que o vácuo imploda, o que libera rapidamente imensas quantidades de energia a uma taxa previsível. 

A nova teoria será testada nos próximos anos com o MMS, que usa quatro naves espaciais voando ao redor da Terra em uma formação de pirâmide para estudar a reconexão magnética em plasmas sem colisões. Neste laboratório espacial único, o MMS pode estudar a reconexão magnética em uma resolução mais alta do que seria possível na Terra. 

“Em última análise, se pudermos entender como a reconexão magnética opera, podemos prever melhor os eventos que podem nos impactar na Terra, como tempestades geomagnéticas e erupções solares”, disse Giles. “E se pudermos entender como a reconexão é iniciada, também ajudará na pesquisa de energia, porque os pesquisadores poderão controlar melhor os campos magnéticos em dispositivos de fusão.”

Fonte: NASA