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Plasmas astrofísicos é tema de estudo feito por brasileiros

Esse gás corresponde a mais de 90% do conteúdo material visível conhecido dos espaços intergaláctico e interestelar

JOSÉ TADEU ARANTES | Edição Online 18:32 18 de janeiro de 2013

Foto mais antiga feita por astrônomos de uma supernova mostra detalhes de dRCW 86

Agência FAPESP – A maior parte da matéria visível no Universo é composta por gás ionizado ou parcialmente ionizado permeado por campos magnéticos. Esse gás corresponde a mais de 90% do conteúdo material visível conhecido dos espaços intergaláctico e interestelar.

A ele estão associados alguns dos mais importantes fenômenos cósmicos: da estrutura em larga escala do Universo à formação de galáxias, estrelas e planetas, às “assinaturas” que objetos compactos (supernovas, estrelas de nêutrons, buracos negros e núcleos ativos de galáxias, entre outros) produzem em seu vasto entorno, como partículas de ultra-alta-energia, jatos supersônicos astrofísicos, discos de acresção, ondas gravitacionais ou erupções de raios gama.

Esses e outros fenômenos foram pesquisados pelo Projeto Temático “Investigação de fenômenos de altas energias e plasmas astrofísicos: teoria, observação e simulações numéricas”, que acaba de ser concluído e foi coordenado pela professora Elisabete Maria de Gouveia Dal Pino, do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (USP).

“Foi um trabalho de grande fôlego, que reuniu o grupo de Astrofísica de Plasmas e Altas Energias, coordenado por mim no IAG, e o grupo do Centro de Radioastronomia e Astrofísica Mackenzie, liderado pela Adriana Benetti Marques Valio na Universidade Presbiteriana Mackenzie, além de pesquisadores de outras instituições”, diz a professora da USP.

Foram utilizadas ferramentas teóricas e computacionais, com ênfase na magneto-hidrodinâmica dos fluidos, para estudar fenômenos aparentemente tão variados, mas intrinsecamente semelhantes, como manchas solares, ventos produzidos por estrelas ou jatos emitidos por núcleos ativos de galáxias.

“Demos especial atenção a processos básicos da física de plasmas, como a formação de campos magnéticos, a reconexão magnética [rearranjo das linhas de força magnéticas, devido à interação de dois ou mais fluxos de campos magnéticos, com a consequente conversão da energia magnética em energia cinética e térmica e a aceleração de partículas], as instabilidades magneto-hidrodinâmicas, as turbulências e a aceleração estocástica, que são fundamentais para a explicação de diversos fenômenos relacionados com as fontes astrofísicas e o meio em que se encontram”, detalha a professora Elisabete.

Dentre os numerosos desdobramentos do Projeto Temático, que propiciaram a realização de várias trabalhos de mestrado e de doutorado e a publicação de diversos artigos em revistas internacionais de alto impacto, a coordenadora seleciona seis destaques. O primeiro é a aceleração de raios cósmicos em regiões de reconexão magnética.

“O confinamento de partículas entre as linhas de força de campos magnéticos de polaridades opostas – como, por exemplo, aqueles formados, nos núcleos ativos de galáxias, pelo buraco negro central e o disco de acresção que o circunda –, faz com que elas ricocheteiem várias vezes, ganhando energia progressivamente, até adquirirem velocidades relativísticas – isto é, próximas à velocidade da luz – e poderem escapar da zona de reconexão magnética na forma de raios cósmicos”, explica a pesquisadora.

Esse mecanismo de formação de raios cósmicos, proposto teoricamente por de Gouveia Dal Pino e Alexander Lazarian, da Universidade de Wisconsin (Estados Unidos), foi corroborado por simulações computacionais realizadas por Grzegorz Kowal (pós-doutor no grupo do IAG). E seria efetivo em várias escalas do Universo, das coroas de estrelas aos núcleos ativos de galáxias e ao meio gasoso intergaláctico.

Outro destaque do projeto de pesquisa está na formação de nuvens e de nova geração de estrelas no meio interestelar e intergaláctico devido a ondas de choque produzidas por explosões de supernovas, pesquisa conduzida em colaboração com Claudio Melioli (tambem pós-doutor do grupo do IAG) e outros.

Simulações computacionais da região central do aglomerado de galáxias de Perseus [o aglomerado mais brilhante do céu na detecção por raio X] sugeriram que as turbulências produzidas principalmente por explosões de supernovas na superfície da galáxia central acarretariam vários efeitos no meio intergaláctico, como a distribuição quase isotrópica [igual em todas as direções] de filamentos gasosos que se estendem por distâncias superiores a 100 megaparsecs [algo da ordem de grandeza de 1021 quilômetros].

“Diego Falceta-Gonçalves [da Escola de Artes, Ciências e Humanidades da USP], de Gouveia Dal Pino e outros mostraram que a combinação desses ventos turbulentos com os jatos mais colimados [compactos] emitidos pelo núcleo ativo da galáxia central pode explicar o aquecimento quase isotrópico (em temperaturas da ordem de 107 a 108 K) do gás que permeia o núcleo do aglomerado”, diz a cientista brasileira.

O terceiro destaque está na formação estelar intragaláctica. “Simulações numéricas efetuadas por Reinaldo Santos de Lima e por Marcia R. Moreira Leão, estudantes de doutorado de de Gouveia Dal Pino, no IAG, mostraram que a turbulência no meio interestelar, causada por fenômenos como explosões de supernovas e jatos de estrelas, contribuem para a remoção dos campos magnéticos. Esses, como se sabe, resistem à contração gravitacional das nuvens protoestelares e sua remoção parcial contribui para a formação de estrelas”, explica a professora Elisabete.

O modelo proposto pelos pesquisadores do grupo e seus colaboradores baseia-se na difusão dos campos magnéticos por reconexão magnética turbulenta. Na presença de turbulência, a reconexão magnética se torna mais rápida, e, assim, mais eficaz.

Dínamo solar
A pesquisa de exoplanetas é outra contribuição importante do Temático coordenado por de Gouveia Dal Pino. Ela e colaboradores do projeto participaram da descoberta de novos sistemas subestelares e exoplanetas por meio da NICI [Near-Infrared Coronagraphic Imager] Planet-Finding Campaign do Observatório Gemini.

O Observatório Gemini consiste em dois telescópios idênticos, em operação no visível e no infravermelho, com espelhos principais de 8,1 metros de diâmetro, localizados em dois dos melhores lugares para observar o Universo a partir da Terra: Cerro Pachón, a 2.720 m de altitude nos Andes chilenos, e Mauna Kea, a 4.220 m de altitude, no Havaí.

“Além destes, o estudo sobre trânsitos de exoplanetas, que fornece informações sobre as atividades de suas estrelas hospedeiras, foi feito por Adriana Benetti Marques Valio, professora do Mackenzie e pesquisadora principal do Temático”, conta a professora brasileira.

O quinto destaque do projeto foi em pesquisa do dínamo solar, mecanismo gerado no interior do Sol pelo gás ionizado em movimento. “Estudos teóricos e numéricos permitiram mapear os ciclos das manchas solares, áreas de maior concentração do campo magnético, que apresentam, em um ciclo completo de 22 anos, dois máximos e dois mínimos. A partir da modelagem, construímos diagramas mostrando esse tipo de atividade”, completa.

Sobre isso, o artigo assinado por Gustavo Guerrero, atualmente fazendo pós-doutorado na Universidade de Stanford, Estados Unidos, e por de Gouveia Dal Pino foi destaque na revista Astronomy & Astrophysics em 2008. Além disso, a tese de doutorado de Guerrero ganhou menção honrosa da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes).

Outra importante contribuição do Projeto Temático apoiado pela FAPESP esteve em estudos sobre a origem e evolução dos campos magnéticos nos meios interaglomerados (ICM) e intergalácticos (IGM).

“Fizemos simulações de amplificações turbulentas de sementes de campos magnéticos em cenários magneto-hidrodinâmicos aproximadamente acolisionais. Devido à baixíssima densidade desses meios e à presença do campo magnético, as variáveis pressão e temperatura se tornam anisotrópicas, exibindo valores distintos nas direções paralela e perpendicular ao campo. As forças resultantes dessa anisotropia produzem instabilidades cinéticas”, explica a professora da USP.

As simulações, estudadas, entre outros, por Reinaldo Santos de Lima, cujo doutorado direto no IAG, com Bolsa da FAPESP, é orientado por de Gouveia Dal Pino, mostraram que essas instabilidades por sua vez limitam o crescimento da anisotropia, o que faz com que a amplificação da semente de campo magnético apresente taxas semelhantes às dos modelos magneto-hidrodinâmico padrões.

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