O mecanismo dos campos magnéticos cósmicos explorados em laboratório: um novo experimento lança nova luz sobre um possível mecanismo que pode semear campos magnéticos para o dínamo galáctico

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Pesquisas recentes mostram que os campos magnéticos podem surgir espontaneamente em um plasma se o plasma tiver uma anisotropia de temperatura. Este mecanismo é conhecido como instabilidade de Weibel. Esta nova pesquisa é a primeira a observar inequivocamente a instabilidade de Weibel no laboratório. Ele oferece uma possível solução para o problema da origem dos campos magnéticos microgauss que permeiam as galáxias.

Plasma é matéria tão quente que os elétrons são separados dos átomos. Os elétrons flutuam livremente e os átomos se tornam íons. Isso cria um gás ionizado – plasma – que compõe quase todo o universo visível. Pesquisas recentes mostram que os campos magnéticos podem surgir espontaneamente em um plasma. Isso pode acontecer se o plasma tiver uma anisotropia de temperatura – temperatura que é diferente ao longo de diferentes direções espaciais. Este mecanismo é conhecido como instabilidade de Weibel. Foi previsto pelo teórico do plasma Eric Weibel há mais de seis décadas, mas só agora foi observado de forma inequívoca em laboratório. A nova pesquisa descobriu que esse processo pode converter uma fração significativa da energia armazenada na anisotropia de temperatura em energia de campo magnético. Ele também descobre que a instabilidade de Weibel pode ser uma fonte de campos magnéticos que permeiam todo o cosmos.

O impacto

A matéria em nosso universo observável é o estado de plasma e é magnetizada. Campos magnéticos no nível micro-gauss (cerca de um milionésimo dos campos magnéticos da Terra) permeiam as galáxias. Acredita-se que esses campos magnéticos sejam amplificados a partir de campos de sementes fracos pelo movimento espiral das galáxias, conhecido como dínamo galáctico. Como os campos magnéticos de sementes são criados é uma questão de longa data na astrofísica. Este novo trabalho oferece uma possível solução para este problema vexatório da origem dos campos magnéticos de sementes de nível microgauss. A pesquisa usou uma nova plataforma que tem grande potencial para estudar a dinâmica ultrarrápida de campos magnéticos nos plasmas de laboratório que são relevantes para astro e física de alta densidade de energia.

Resumo

Teorizada pela primeira vez há seis décadas, a instabilidade de Weibel impulsionada pela anisotropia de temperatura é considerada um mecanismo importante para a automagnetização de muitos plasmas de laboratório e astrofísicos. No entanto, os cientistas enfrentaram dois desafios ao demonstrar inequivocamente a instabilidade de Weibel. Primeiro, até recentemente, os pesquisadores não eram capazes de gerar um plasma com uma anisotropia de temperatura conhecida inicialmente prevista por Weibel. Em segundo lugar, os pesquisadores não tinham uma técnica adequada para medir a topologia complexa e em rápida evolução dos campos magnéticos gerados posteriormente no plasma.

Este trabalho, possibilitado pela capacidade única do Accelerator Test Facility, uma instalação do usuário do Departamento de Energia (DOE) no Brookhaven National Laboratory, empregou uma nova plataforma experimental que permitiu aos pesquisadores criar um plasma de hidrogênio com distribuições de velocidade de elétrons altamente anisotrópicas conhecidas em uma escala de tempo de dezenas de trilionésimos de segundo usando um pulso de laser de dióxido de carbono ultracurto, mas intenso. A subsequente termalização do plasma ocorre através da auto-organização das correntes de plasma que produzem campos magnéticos impulsionados pela instabilidade de Weibel. Esses campos são grandes o suficiente para desviar elétrons relativísticos para revelar uma imagem dos campos magnéticos a uma certa distância do plasma. Os pesquisadores obtiveram um filme da evolução desses campos magnéticos com excelente resolução espaço-temporal usando um feixe de elétrons relativístico de um picossegundo para sondar esses campos.

Financiamento

Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia (DOE), National Science Foundation e NSF Graduate Research Fellowships Program. O Accelerator Test Facility é apoiado pelo DOE Office of Science. O trabalho do pesquisador principal na UCLA é financiado pela National Science Foundation (NSF), pelo programa DOE Office of Science High Energy Physics e pelo NSF Graduate Research Fellowships Program.

Com informações de Science Daily.

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