Missão Magnetosférica Multiescala da NASA desvenda mistério de 60 anos de explosões magnéticas rápidas

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Erupções solares e ejeções de massa coronal

Explosões solares e ejeções de massa coronal no sol são causadas por “reconexão magnética” – quando linhas de campo magnético de direções opostas se fundem, se unem e se separam, criando explosões que liberam grandes quantidades de energia. Crédito: Laboratório de Imagens Conceituais da NASA

Em apenas alguns minutos, uma explosão no Sol pode liberar energia suficiente para alimentar o mundo inteiro por 20.000 anos. Essas explosões solares são desencadeadas por um processo explosivo conhecido como reconexão magnética, e os cientistas passaram o último meio século tentando descobrir como isso funciona.

Também 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, cientistas com[{” attribute=””>NASA’s Magnetospheric Multiscale Mission, or MMS, think they’ve figured it out. The researchers have developed a theory that explains how the most explosive type of magnetic reconnection – called fast reconnection – occurs and why it happens at a consistent speed. The new theory uses a common magnetic effect that’s used in household devices, such as sensors that time vehicle anti-lock braking systems and know when a cell phone flip cover is closed.

“We finally understand what makes this type of magnetic reconnection so fast,” said lead author on the new study Yi-Hsin Liu, a physics professor at Dartmouth College in New Hampshire and the deputy-lead of MMS’ theory and modeling team. “We now have a theory to explain it fully.”

Magnetic reconnection is a process that occurs in plasma, sometimes called the fourth state of matter. Plasma forms when a gas has been energized enough to break apart its atoms, leaving a motley of negatively charged electrons and positively charged ions existing side-by-side. This energetic, fluid-like material is exquisitely sensitive to magnetic fields.

From flares on the Sun, to near-Earth space, to black holes, plasmas throughout the universe undergo magnetic reconnection, which rapidly converts magnetic energy into heat and acceleration. While there are several types of magnetic reconnection, one particularly puzzling variant is known as fast reconnection, which occurs at a predictable rate.

“We have known for a while that fast reconnection happens at a certain rate that seems to be pretty constant,” said Barbara Giles, project scientist for MMS and research scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “But what really drives that rate has been a mystery, until now.”


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). Crédito: Tom Bridgman/NASA’s Scientific Visualization Studio

A nova pesquisa, publicada em um artigo na Nature’s Física das Comunicações Journal e financiado em parte pela National Science Foundation, explica como a reconexão rápida ocorre especificamente em plasmas sem colisões – um tipo de plasma cujas partículas estão espalhadas o suficiente para que as partículas individuais não colidam umas com as outras. Onde a reconexão acontece no espaço, a maior parte do plasma está nesse estado sem colisões, incluindo o plasma em explosões 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 funciona, 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.”

Para saber mais sobre esta pesquisa, ver Explosões magnéticas rápidas no espaço: explicando o mistério por trás da reconexão magnética rápida.

Referência: “Teoria dos primeiros princípios da taxa de reconexão magnética em plasmas magnetosféricos e solares” por Yi-Hsin Liu, Paul Cassak, Xiaocan Li, Michael Hesse, Shan-Chang Lin e Kevin Genestreti, 28 de abril de 2022, Física das Comunicações.
DOI: 10.1038/s42005-022-00854-x





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