Reconexão Magnética – ‘que vá tudo pro infinito!’…

“Se uma partícula escapa para o infinito isso significa, que ela nunca irá parar.            Isso porém, pode ser contornado, bastando aprisionar a partícula, forçando-a a ficar eternamente fazendo círculos ao redor de um ponto…Entretanto, a partícula pode ir    além desses limites…Se imaginarmos uma superfície esférica com um grande raio, a partícula cruzará a superfície tentando sair dela, não importa o tamanho desse raio”.

Durante a reconexão, as linhas dos campos magnéticos no plasma solar se separam, como que ricocheteiam, e se reconectam violentamente, liberando a energia magnética na forma de energia cinética e calor.[Imagem: NASA]

Durante a reconexão, as linhas dos campos magnéticos no plasma solar se separam, ricocheteiam, e se reconectam violentamente, liberando energia magnética na forma de energia cinética e calor. [NASA]

Você já deve ter ouvido falar muitas vezes sobre as tempestades…e erupções solares, e as ameaças que estas representam, para satélites de comunicação e ‘infraestrutura elétrica’. – Mas, o que talvez não saiba…é que esses impactos acontecem – devido à  reconexão magnética – um fenômeno estudado na ‘astrofísica de plasma’Esta reconexão faz campos magnéticos … se converterem em canhões, aleatoriamente disparando ao espaço partículas hiper- energéticas, vez ou outrajustamente na exata direção da Terra. – Esta ‘reconexão magnética’ parece ser o modo favorito do Universo fazer as coisas explodiremem campos magnéticos permeando o espaço.

No Solcria erupções com potência similar a 1 bilhão de bombas atômicas…Na atmosfera terrestre – alimenta tempestades magnéticas e auroras polares. – Nos laboratórios…causa grandes problemas nos reatores à fusão. Mas há um problema adicional…os cientistas não sabem explicar exatamente, como a reconexão magnética transforma a energia magnética, nessa energia explosiva. O básico é bastante simples… Linhas de força magnéticas cruzam-se… cancelam-se, reconectam e… Bum! – A energia magnética é liberada em partículas carregadas…como calor e energia cinética…Mas como?…Como esse simples ato de ‘cruzar linhas de campos magnéticos’…disparam essas explosões tão ferozes?…Melvyn Goldstein, chefe do Laboratório de Geofísica Espacial da NASA, sobre esse assunto, assim comentou:

“Algo muito interessante e fundamental acontece, que nós,                            não entendemos. Pelo menos não em nossos experimentos                              de laboratório… e, em nossas simulações de computador”.    

A fusão por confinamento magnético, nesse sentido…tem mostrado resultados bem promissores, apesar de problemas na manutenção do plasma (gás ionizado extremamente quente) no interior da câmara. – A “recombinação magnética”, é um dos principais desses problemas. À medida que o calor no aparelho aumenta, a temperatura dos elétrons atinge um pico, e então…’quebra’, repentinamente, para um valor menor, e uma parte do plasma quente escapa. – Isto é causado pela… “reconexão do campo magnético de confinamento”.

Uma indicação inicial sobre esse…”explosivo fenômeno”, veio de um recente experimento sobre ‘Física de Plasma’  realizado no Laboratório de Princeton/EUA, que pela 1ª vez permitiu identificar o momento exato da reconexão,  e assim, determinar a energia magnética…convertida na energia cinética de partículas carregadas. Os resultados do “MRX” (“Magnetic Reconnection Experiment“) mostraram que a reconexão – converte cerca de 50% da energia magnética, com 1/3 da conversão resultando no aquecimento dos elétrons…e 2/3…na aceleração de íons (núcleos atômicos eletricamente carregados no plasma).

O experimento também deu indícios, sobre como o processo de reconexão pode se encadear. A reconexão primeiro energiza e impulsiona os elétrons, criando então             um campo elétrico, que se torna a fonte primária de energia dos íons. (texto base *****************************************************************************

Campos magnéticos podem enviar partículas para o infinito                                    

Construa uma ‘estrada magnética‘…um plano com um ‘campo magnético’…e você será capaz de enviar partículas eletricamente carregadas para o infinito – elas não vão parar nunca mais…É o que garantem 2 matemáticos da Universidade de Madri. Eles provaram que as partículas podem “escapar para o infinito“… – Uma das condições para tal…é que o campo magnético seja gerado por loops de corrente… situados no mesmo plano de movimentação da partícula. – A outra…é que a partícula esteja em algum ponto do plano,  a uma certa distância do campo magnético – e “movimento inicialparalelo a esse plano.

The Magnetospheric Multiscale mission will use four identical spacecraft, variably spaced in Earth orbit, to make three-dimensional measurements of magnetospheric boundary regions and examine the process of magnetic reconnection. Credit: Southwest Research Institute http://mms.gsfc.nasa.gov/

A missão Magnetosférica Multi-escala usará 4 naves espaciais idênticas, espaçadas variavelmente em órbita da Terra, para fazer medições tridimensionais de regiões de fronteira na magnetosfera, e examinar o processo de reconexão magnética. Crédito: NASA

É por isto que a NASA está se preparando, para lançar uma missão que vai tentar ir à base desse mistério…É a chamadaMMS: Missão Magnetosférica Multiescala.

Serão 4 sondas espaciais – que irão voar através da ‘magnetosfera terrestre’, para estudar a reconexão magnética em ação,  como explica Jim Burch, cientista-chefe      da missão… “A magnetosfera da Terra é um…ótimo laboratório natural para o estudo da ‘reconexão’… É enorme e a reconexão magnética acontece lá, o tempo todo…incrementada pelo ‘vento solar‘…praticamente sem interrupção”.

Nas camadas externas da magnetosfera…onde campos magnéticos da Terra encontram o vento solar, os eventos de reconexão criam ‘portais magnéticos temporários’ conectando a Terra ao Sol. – Em seu interior, numa longa ‘cauda magnética’…a reconexão impulsiona nuvens de plasma de alta energiaem direção à Terra, disparando as ‘auroras polares‘.  Cada observatório tem o formato de um disco…com 3,65 metros de diâmetro…e 1,2 metro de altura. – Os sensores para monitoramento dos campos eletromagnéticos, e partículas carregadas estão sendo construídos em várias universidades e laboratórios dos EUA. Quando todos instrumentos estiverem prontos serão integrados no ‘corpo principal’ de cada uma das sondas em construção no Centro Espacial Goddard. (abr/2012) (texto base) **********************************************************************************

NASA vai procurar ‘portais magnéticos’  em torno da Terra (jul/2012)

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Linhas de campo magnético, representadas em azul, criam uma “bolha”, protegendo a Terra da radiação do vento solar (Cinturão de Van Allen).

Os “portais” estão entre os temas favoritos da ‘ficção científica’. Seriam extraordinárias  aberturas…no espaço ou tempo, permitindo conectar os viajantes… – a distantes lugares inalcançáveis – pelas naves imaginárias das histórias…e dos filmes de “ficção científica”.  Um bom portal … se eles de fato existissem,  seria como um atalho para o desconhecido. Mas acontece que realmente existe um tipo especial de portal… – e, um pesquisador da Universidade de Iowa…provido pela NASA, recentemente, descobriu como encontrá-lo. O físico Jack Scudder, assim explica o caso:

“Nós os chamamos de pontos-X…ou regiões de difusão de elétrons.                São lugares onde o campo magnético da Terra se conecta ao do Sol, criando um caminho ininterrupto, que conecta nosso planeta Terra            à…atmosfera solar — ao longo de 149 milhões de Kms de distância”.

Observações das sondas espaciais Themis (NASA)…e Cluster (ESA)…sugerem que estes ‘portais magnéticos’…localizados a dezenas de milhares de kms da Terra, onde o campo geomagnético encontra o vento solar – abrem e fecham dezenas de vezes ao dia… – Boa parte desses ‘portais’ são de curta duraçãomas alguns são enormes – sustentados por toneladas de partículas energéticas…’fluindo de suas aberturas‘, aquecendo a atmosfera superior da Terra…e causando tempestades geomagnéticas, com lindas auroras polares.    A NASA já tinha nos planos uma missão chamada ‘MMS’ (‘Magnetospheric Multiscale’), para estudar o fenômeno; serão 4 sondas voando em formação, dotadas de detetores de partículas energéticas e sensores magnéticos para tentar rastrear os portais magnéticos,    e tentar estudá-los… – Mas ainda restava um problema … como encontrar esses portais magnéticos, invisíveis e fugazes…Foi esse enigma que o Dr. Scudder acabou de resolver.  Apesar de invisíveis e instáveis…os portais possuem um tipo de…”poste de sinalização”; um conjunto de indicadores de seu endereço. Os portais se formam pelo processo da “reconexão magnética” … mesclando linhas de força magnéticas – do Sol e da Terra,     que se cruzam e juntam, criando as aberturas … como assim explica o próprio Scudder:

Pontos-X são onde cruzamentos ocorrem. – Uma súbita junção de campos magnéticos  pode impulsionar… jatos de partículas carregadas’… a partir de cada ponto numa região de difusão eletrônica.Utilizando dados da sonda espacial Polar sobre a magnetosfera terrestre… temos 5 combinações de… ‘campos magnéticos’… com ‘partículas energéticas’, que nos avisam se estamos frente ao…’ponto-X’…ou numa região de difusão de elétrons.”

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As cinco sondas espaciais da missão MMS vão procurar os portais magnéticos, ou Pontos-X, que se espalham em torno de toda a Terra. [Imagem: NASA]

Isto significa que, cada uma das sondas da constelação MMS poderá encontrar portais, e tão logo localize um, alertar as outras naves da constelação. Como são linhas magnéticas que se estendem pelo espaço — é importante efetuar medições de vários pontos, a fim de compreender o mecanismo de abertura dos portais … e, da aceleração das partículas que entram por elescomparando com trajetórias e velocidadesdaquelas de fora do portal.

A fórmula para calcular o CEP dos portais magnéticos também significa                              que…em vez de ficar anos tentando localizar os portais, a missão ‘MMS’,                              lançada agora, em março de 2015, poderá começar a estudá-los tão logo                              chegue ao espaço. – É um roteiro digno dos melhores portais da “ficção                                científica”, só que excepcionalmente neste caso os portais são reais. ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

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“Matéria escura” – “Energia escura”  haveria também…Magnetismo escuro?

Representamos ‘energia escura‘ como a força que acelera a ‘expansão do Universo’. Mas qual seria sua verdadeira identidade? Poderíamos considerá-la uma constante cosmológica derivada da…’energia do ponto zero’?… Ou apenas uma alteração (MOND) da gravidade a largas escalas?

O grande problema é que a “energia escura” deve ter uma densidade aproximada de 1/2 joule por Km³ de espaço, e a “energia do ponto zero” é calculada…em relação ela, como sendo zero, por uns, e (o que é pior), como 120 ordens de magnitude a mais, por outros.    A ideia de uma “gravidade alterada para escalas maiores” (‘teoria MOND’) também não ajuda muito, pois implica em corrigir um modelo (gravitacional) com resultados exatos para escalas menores (cálculo da trajetória de espaçonaves e planetas no sistema solar).

José Beltrán e Antonio Maroto estavam estudando em 2008…um modelo “mutante” de gravidade, pela ‘teoria vetor/tensor’, e perceberam algo interessante…as equações eram idênticas a outro modelo – o do eletromagnetismo… Da mesma forma que a maioria das forças naturais, o eletromagnetismo é visto em termos de uma partícula mediadora    (o fóton)…partícula sem carga (ou massa)…que carrega campos magnéticos e elétricos.    A “eletrodinâmica quântica“, por sua vez…é usada para explicar muitos fenômenos:  do comportamento da luz…às forças que unem moléculas; mas ela tem uma face oculta:    Qual seja, 2 tipos de ondas que são canceladas pela ‘Condição de Lorentz’. – Uma delas,  do campo elétrico, segue na direção do movimento; e a outra (‘modo temporal‘), não tem ‘campo magnético‘ – apenas ‘potencial elétrico‘. Teoricamente…as 2 ondas teriam seu próprio tipo de…fóton… – O trabalho de Beltrán e Maroto é ver como fica o eletromagnetismo, sem a… “Condição de Lorentz“… E, dessa maneira … as ondas aparecem e desaparecem, como “flutuações quânticas“…(“ondas virtuais no vácuo”).

Entretanto, no período inflacionário, todas as flutuações quânticas receberam enorme amplificação, e assim…as ondas eletromagnéticas também poderiam ter-se ampliado. Tal processo, deixaria para trás vastos…”modos temporais“…ondas de potencial elétrico, com comprimento várias ordens de magnitude maior…que nosso universo observável. Estas ondas contém energia; mas sendo tão grandes, não são percebidas…como ondas – mas sim, talvez – como…”energia escura“.

Beltrán e Maroto chamaram sua ideia de Magnetismo Escuro,  que pode                          ser usada para explicar a quantidade de energia escura no universo – se as                      condições forem corretas. Também pode explicar, em larga escala, campos                  magnéticos — que têm sido detetados, na observação de galáxias distantes.

E como comprovar esta teoria?.. – A influência do magnetismo escuro na era inflacionária deixaria marcas na distribuição estatística da radiação cósmica de fundo…e, neste caso, os dados obtidos pela missão Planck poderiam trazer à luz estas marcas… Outra aposta seria encontrar uma das ondas longitudinais menores, que poderiam ter comprimento de onda, talvez, na ordem da distância Terra-Sol. Só que, para captar uma onda, a antena não pode ser muito menor que seu comprimento de onda, ou seja, ainda não temos tecnologia para detetá-las…Mas talvez possamos ter… Havendo uma onda razoável, existe a possibilidade dela ser detetada pelo ‘Square Kilometre Array…previsto para funcionar a partir de 2028.

Uma outra coisa que a teoria permite calcular é a tensão elétrica…ou voltagem do nosso universo. O número é 10e²7 volts…ou, um bilhão de bilhão de gigavolts. – Nossa sorte é que não há onde descarregar esta supergigantesca tensão elétrica. texto base (jun/2012)  **********************************************************************************

New Hubble image of NGC 2174

Nebulosa Cabeça de Macaco (NGC 2174): pelo Hubble, com estrelas jovens (pontos brilhantes), nuvens de plasma e nuvens moleculares (regiões escuras) [NASA/ESA]

Gestações turbulentas  (abril 2014)

Mal dá para reparar nas porções mais escuras da imagem da nebulosa ‘Cabeça de Macaco’ (NGC 2174) distante 6.400 anos-luz da Terra. Ofuscada pelo brilho das estrelas jovens…e por ondas de ‘gás incandescente’…nestas áreas escuras se escondem algumas das muitas regiões de formação estelar…da nossa galáxia. 

É lá… nesses ‘bolsões escuros’ de poeira do meio interestelar que os astrônomos estão mais interessados … pois é nessas “nuvens moleculares“…que o gás da nebulosa esfria, para depois de milhões de anos…enfim desencadear o processo nuclear…que irá originar novas estrelas.

Os telescópios atuais…estão apenas começando a ter resolução suficiente, para vislumbrar detalhes deste processo, abarcando turbulento cabo de guerra entre forças gravitacionais e magnéticas. De um lado, a gravidade tende a adensar o gás…o que permitirá que átomos dentro das regiões mais densas da nuvem sejam comprimidos até liberarem energia – por reações de “fusão nuclear”…acendendo novas estrelas. – De outro, campos magnéticos da nuvem tendem a fazer força, no sentido oposto ao da gravidadeTodo mundo sabe que a gravidade vence no final, entretanto, ninguém entende muito bem os detalhes do conflito.  Para resolver esse problema – uma equipe liderada pela astrofísica Elisabete Gouveia Dal Pino, da USP…e pelo astrofísico Alexander Lazarian, da Universidade de Wisconsin, EUA, vêm realizando simulações do comportamento de gases e campos magnéticos nas nuvens moleculares…Os resultados mais recentes resolvem contradições entre a teoria, e o que já foi observado…apoiando a ideia… – de como os campos magnéticos atrapalham, mas não chegam a impediro surgimento de novas estrelas. Mesma ideia que pode explicar por que, discos de gás/poeira em torno de estrelas recém-nascidas…portanto, que mais tarde podem originar sistemas planetários…não desaparecem sob ação de ‘campos magnéticos’.

Nuvens moleculares são pequenas regiões do meio interestelar — dentro das galáxias bastante interessantes. Enquanto nas “nuvens interestelares”,    a temperatura pode alcançaralguns milhares de graus Celsius… – com os ‘elétrons’… se separando dos ‘núcleos atômicos’para formar plasma (gás eletricamente carregado), nas nuvens moleculares (bem mais frias, que a temperatura    do…”meio interestelar” circundante) … formadas por bolsões    de gás e poeira, a temperatura média,  fica aproximadamente em -173º C.

Por esta razão, nuvens moleculares em sua maior parte são compostas de átomos neutros que se combinaram em moléculas…Entretanto, mesmo nuvens moleculares abrigam uma pequena porção de plasma … suficiente para que linhas do campo magnético da nebulosa se liguem ao movimento do gás… Onde, aliáso plasma flui de maneira muito turbulenta.  Uma consequência dessa turbulênciaé que o movimento das cargas elétricas do plasma, amplifica os fracos campos magnéticos, que permeiam o espaço…Originados no início do Universo… — esses campos, assim amplificados…de até 0,003 gauss (cem vezes menores que o da superfície da Terra), acabam afetando as nuvens moleculares. — Para explicar o fenômeno…Elisabete usa uma analogia: “Partículas do plasma estariam ligadas às linhas do campo magnético, como as contas de um colar estão presas ao seu cordão. Se o gás se move para um lado…arrasta linhas do campo consigoe isso traz problemas à formação estelar: enquanto uma região mais densa da nuvem se contrai pela atração gravitacional de sua própria massa… (tal como um caroço) esse encolhimento comprime as linhas do ‘campo magnético‘.O resultado final…é um campo em forma de…‘ampulheta’,  exercendo dessa maneira — uma…‘força repulsiva’ — contra a força gravitacional“.

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Essa força, contudo, age apenas na direção perpendicular às linhas do campo magnético. Assim, a massa continua a se acumular no centro do caroço percorrendo os caminhos ao longo das linhas…até que a força gravitacional supera a magnética – e a estrela se forma.  Imaginava-se que a nova estrela herdasse o ‘campo magnético’ do caroço que a originou. Mas, observando estrelas recém-formadas, os astrônomos medem um campo magnético em sua superfície 10 mil vezes menor que o esperado. — Essa discrepância entre teoria e observações sugere algum fenômeno, ainda desconhecido, a desligar as linhas do campo magnético do movimento do gás durante sua contração. Assim, as linhas não seriam tão comprimidas no centro dos caroços… – e a estrela resultante teria um campo magnético menor. O candidato favorito dos astrofísicos para explicar esse fenômeno era, até pouco tempo atrás, um efeito conhecido como difusão ambipolar‘, como é assim explicado:

“Conforme a nuvem colapsa – o plasma perde calor por irradiação,                e seus elétrons se recombinam com núcleos atômicos. Esse material    neutro… continua a colapsar… – sem arrastar as linhas de campo.”

Estudos vêm confirmando, entretanto  que para a difusão ambipolar conseguir afastar as linhas de campo magnético do centro do caroço de maneira eficiente, o tamanho dos grãos de poeira formados nas nuvens molecularesprecisaria ser diferente do estimado. Além disso…a distribuição dos…”campos magnéticos“…também não é explicada pelo fenômeno.

Reconexão magnética                                                                                                                  Num ‘plasma turbulento‘…como em 1999, demonstraram Lazarian e Ethan Vishniac,      esse processo ocorre de modo rápido. Durante a colisão explosiva as linhas de campo      são recortadas… – e então coladas…em uma nova configuração…de direção e sentido.

Em 2005… Lazarian propôs uma alternativa à difusão ambipolar — que tinha a vantagem de não depender do tamanho dos grãos das nuvens moleculares…Sua ideia se baseava no fenômeno da ‘reconexão magnética’Ela acontece quando 2 porções de plasma, com cada uma carregando linhas de campo magnéticoem paralelo – mas em ‘sentidos opostos’ são forçadas a colidir uma contra a outra. A reconexão magnética ocorre na superfície do Sol…com bastante frequência e violência nas tempestades magnéticas, ejetando massa solar ao espaçoExplica-se assim outros processos astrofísicos, como aceleração de raios cósmicos ultraenergéticos. Pensava-se contudo, que pouco ocorresse em…”nuvens moleculares”; até Lazarian propor que uma turbulência do gás nessas nuvens… – pudesse acelerar tal processo.

Assim, pequenos ‘redemoinhos turbulentos criariam condições à ‘reconexão magnética’.    E, em 2009, Lazarian…e o astrofísico Grzegorz Kowal – atualmente na USP…realizaram simulações em computador, demonstrando que esta reconexão magnética induzida pela turbulência realmente funciona. – Pela analogia de Elisabete… “As partículas do plasma estariam ligadas às linhas do…campo magnético…tal como as contas de um colar estão presas ao seu cordão”; a turbulência então seria capaz de cortar e reconectar os ‘cordões dos colares’… libertando as contas e afastando o excesso de cordões – do centro dos caroços (nas “nuvens moleculares”). – Nesse mesmo ano … ao trabalhar uns meses com Lazarian, o astrofísico Reinaldo Santos Lima que fez seu doutorado sob orientação de Elisabete, na USP, empregou o “código computacional” escrito por Kowal ao criar um modelo simplificado do colapso de um…”caroço”…dentro de uma nuvem molecular.

As “simulações“… – publicadas no “Astrophysical Journal” em 2010,          indicaram que a turbulência mantinha as linhas do campo magnético afastadas do caroço… permitindo seu colapso pela ação da gravidade.

Márcia Leão, outra estudante de doutorado de Elisabete, atualmente pós-doutoranda na Unicamp realizou simulações ainda mais realistas do processo…Em um artigo publicado em novembro de 2013 na ‘The Astrophysical Journal‘, foi comparado o resultado dessas simulações com observações de caroços em nuvens moleculares…realizadas por Richard Crutcher, astrônomo da Universidade de Illinois, EUA. – As simulações de Márcia…com efeito – puderam explicar as distribuições de densidade do gás…e seu campo magnético, medidas por Crutcher…melhor do que seria esperado pela teoria da “difusão ambipolar”.

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Milhões de anos após o início do colapso, o gás e poeira do caroço da nuvem molecular,  que antes ocupava um volume com alguns anos-luz de extensão, acabam concentrados    em um espaço mais ou menos do tamanho do sistema solar…com centenas de minutos-luz, gerando uma estrela, cercada por um “disco de acreção”, que por sua vez… pode se tornar um sistema planetário… Cálculos sugerem porém, que o “campo magnético” da nuvem molecular…impediria a formação dos discos… – Ou seja… as “linhas do campo” freariam a rotação do material do disco…que acabaria assim caindo na “proto-estrela”.  Simulações publicadas em 2012 e 2013 – pela equipe de Elisabete … sugerem que esse problema também é resolvido pela reconexão magnética induzida pela turbulência,         que transporta o excesso de linhas magnéticas para fora do disco. – Para o astrônomo Gabriel Franco da UFMG – que trabalha com dados sobre o campo magnético de uma nuvem molecular obtidos por um instrumento montado no telescópio Apex…no Chile:

“As previsões teóricas…estão mais adiantadas do que as observações.      Para se ter uma ideia … o campo em forma de ‘ampulheta’ – previsto         há décadas…  foi observado pela primeira vez… – somente em 2006”.

A antena do Apex é o protótipo das 66 antenas do observatório…’Alma‘ – inaugurado        em 2013… que também terá um instrumento capaz de medir ‘campos magnéticos‘ de caroços e proto-estrelas. Contudo, para observar todos os detalhes, Elisabete aguarda outra rede de radiotelescópios em construção na Argentina: a “Llama”. — E concluiu:

“Talvez consigamos testar nossas teorias, com observações de altíssima resolução, combinando as antenas do Alma e Llama…pela interferometria“. (texto base  ****************************************************************************

ondas-kelvin-tornado-quanticoReconexão de vórtices quânticos (mai/2014)

Ao tirarmos o tampão da pia – surge um tornado perfeito conforme… a água escapa pelo ralo… – Esse vórtice… que emerge conforme a velocidade da água aumenta, obedece leis da mecânica clássica. Troque a água por hélio líquido, extremamente frio…e você observará o fluido girando em torno a uma linha invisível, num vórtice que obedece não às leis da mecânica clássica – mas, da mecânica quântica. 

Quando 2 desses tornados quânticos se aproximam, eles se flexionam, e dançam algumas vezes…cruzando-se em um formato de X…Quando suas pontas se tocam, contudo, eles se retraem violentamente, em um processo chamado “reconexão”. – As teorias e simulações computacionais sugeriam que após se afastarem um do outro esses vórtices desenvolvem ondulações chamadas…”ondas de Kelvin” – para se livrar rapidamente da energia gerada pela reconexão… – e trazer o sistema de volta ao equilíbrio…Contudo, a existência dessas ondas nunca tinha sido comprovada experimentalmente… – até que agora, Enrico Fonda  e um grupo de pesquisadores da Universidade de Maryland, EUA, ao obterem evidências visuais, confirmaram que a “reconexão de vórtices quânticos” emite “ondas de Kelvin“.

Embora a turbulência em fluidos clássicos seja bem compreendida…o entendimento da turbulência em fluidos quânticos pode oferecer informações não apenas sobre sistemas      de “átomos aprisionados”… – importantes para a “computação quântica” – e ‘materiais supercondutores’, mas também sobre fenômenos extremos como ‘estrelas de neutrons’.    E Daniel Lathrop, coordenador da equipeexplicou: “Estas primeiras observações das ‘ondas Kelvin’ certamente vão levar a interessantes experiênciasque ultrapassarão os limites de nossa própria percepção destes exóticos movimentos quânticos”. (texto base*********************************************************************************

“Armadilha para pegar fantasmas” (ago/2015)                                                                  Mecanismo proposto por pesquisadores brasileiros (USP)                                                    pode explicar a origem dos “neutrinos de alta energia”.

IceCube LaboratoryDois astrofísicos da USP, propuseram um mecanismo, para explicar onde, e como surgem as partículas altamente energéticas que – regularmente, vêm sendo identificadas…no observatório “IceCube”… imerso no manto de gelo da Antártida… – Composto por 5.160 detetores…que formam um cubo de 1 Km de lado o aparelho registra todos os anos – milhares de…”neutrinos“.

Desde que começou a funcionar, em 2010, o IceCube já coletou informações de uma montanha de neutrinos. De todos, 54 foram considerados especiais. Eram partículas provavelmente de fora da galáxia — com nível de energia muito alto – milhões de vezes superior…ao dos neutrinos emitidos pelo Sol.

Astrofísicos imaginam que somente fenômenos deproporções cataclísmicas como a morte explosiva de uma estrela de massa elevada, ou um buraco negro supermassivo se alimentando – são capazes de produzir partículas com níveis tão altos de energia. Até o momento…todavia não se havia encontrado um mecanismo capaz de gerar neutrinos, como esses que chegaram à Terra. Elisabete Gouveia Dal Pinoprofessora do Instituto    de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG/USP) e seu aluno de doutorado Behrouz Khiali podem ter identificado um fenômeno, que deu origem a tais neutrinos.  Para eles, essas partículas fugidias … que já foram chamadas de “partículas fantasmas”,      por interagirem raramente com amatéria – poderiam surgir como subproduto de um mecanismo físico chamado “reconexão magnética“, onde linhas de campos magnéticos, com sentido contrário, ao se encontrarem, aniquilam-seliberando energia magnética, responsável por acelerar partículas eletricamente carregadas, que estejam por perto. É        o que acontece no Sol – quando linhas magnéticas geradas pelo gás aquecido da coroa solar aproximam-se e se anulam…liberando a energia que impulsiona as partículas do vento solar – produzindo gigantescas alçasou loops, vistos por telescópios terrestres.

buraco negro

Para Elisabete e Khiali, este mesmo  fenômeno…ocorreria na vizinhança de “buracos negros” supermassivos. Afinal… esses poderosos “objetos cósmicos” – com efeitoreuniriam todas ‘condições necessárias’Eles acumulam uma massa…dezenas de milhões de vezes…a do Sol numa região com dezenas…a centenas de kms de diâmetro. Objetos, assim tão densos…têm uma tal gravidade que atraem toda matéria…ao redor.

No centro galático…essa camada de gás quente…contendo partículas eletricamente carregadas (“disco de acreção”) passa a se mover em torno do buraco negro, caindo          em sua direção, gerando campos magnéticos em constante rotação. – Por vezes…as    linhas desses campos se encontram…com as que existem ao redor do buraco negro. Quando têm sentidos (polaridade) opostos, aniquilam-se liberando calor, energia e impulsionando ao espaço…partículas carregadas…como prótons, que aprisionados        entre as… “linhas do campo magnético” — ganham cada vez mais energia.

Khiali, astrofísico iraniano que veio ao Brasil para estudar reconexão magnética com Elisabete, assim explica…“Imaginamos que aconteça algo parecido com o que ocorre      com uma bola de tênis rebatida por jogadores correndo um de encontro ao outroA      cada rebatida, a bola ganha mais velocidade”. Similarmente os prótons acumulam energia, até conseguirem escapar dos campos magnéticos, a velocidades próximas à          da luz. No caminho em direção ao espaço esses prótons acelerados podem se chocar        com outros prótons, ou com fótons, ambos abundantes numa vasta região em torno          do buraco negro (halo galático)O choque entre partículas as destrói, e gera outras.

Da colisão entre prótons, ou entre prótons e fótons, surgem                partículas menos energéticas… e mais instáveis – os píons,                liberandoraios gama” e “neutrinos (ver infográfico).

Os cálculos de Khiali e Elisabete sugerem que, ao redor de buracos negros com massa de 10 milhões a 1 bilhão de sóis – a “reconexão magnética” seria capaz de produzir prótons energéticos o bastante para gerar os neutrinos superenergéticos do IceCube. Antes disso, Elisabete, Luis Kadowaki e Chandra Singh já haviam verificado que tal mecanismo pode originar os raios gama devidos a buracos negros e sistemas binários de estrelas… Mas, a    reconexão magnética não é o único modelo explicando os prótons acelerados…Em 2014,      os astrofísicos Fabrizio Tavecchio e Gabriele Ghisellini sugeriram – que essas partículas poderiam ser geradas pelos jatos que emanam próximo aos polos dos buracos negros. O físico Orlando Peres…da “Unicamp” de Campinas/SP – explica mais sobre essa questão:

“Hoje, o mecanismo mais aceito na produção de neutrinos superenergéticos é o choque na região dos jatos, mas esse fenômeno não explica os eventos de tão alta energia como os detetados no IceCube. Portanto, pode ser que esses neutrinos venham da ‘reconexão magnética’…ou, de outro modo ignorado”.

Elisabete, uma das coordenadoras da participação brasileira no…”Cherenkov Telescope Array”, que vai estudar raios gama de alta energia em 2 redes de telescópios, lembra de outra vantagem de seu modelo, em relação aos demais… – “Além dos neutrinos…nosso mecanismo explica a produção de fótons de raios gama…altamente energéticos…e raios cósmicos, que poderiam ser produzidos na vizinhança desses buracos negros”. — Sobre esse assunto, a física Renata Funchal (USP), que estuda os neutrinos com o objetivo de entender como poderiam interagir com outras partículas, comenta que: “A proposta da equipe do IAG é interessante, mas é cedo para saber se está correta – pois o número de neutrinos detetados é pequeno, e assim…não permite saber de onde vêm…Porém, esse modelo pode vir a ser testado em pouco tempo — caso ocorra a ampliação do IceCube”.

Efetivamente há o plano de dobrar o número de detetorese aumentar o tamanho do observatório para um cubo com 10 kms de lado. Isso aumentaria a probabilidade de registrar partículas fantasmas tão energéticas…que, ao não interagirem na viagem até        a Terra com praticamente nada, podem revelar a trajetória de onde vêm. Identificar a origem desses neutrinos, permitiria verificar se também emitem fótons de raios gama          e raios cósmicos o que confirmaria o modelo de Elisabete e Khiali … sugerindo uma astronomia de neutrinos. Todavia…ainda estamos engatinhando nisso”. (texto base****************************(Curiosidades Magnéticas)***************************

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Efeito Kondo

Além doBEC…um dos poucos exemplos          da física… em que muitas partículas se comportam…coletivamente…assim como        um único “corpo mecânico quântico“, intrigou cientistas de todo o mundo…por décadas…Quando um átomo magnético            é situado dentro de um metal elétrons      livres desse metal — “cobrem”o átomo.      Assim uma nuvem de muitos elétrons,          ao redor do átomo – fica‘magnetizada’.

Algumas vezes se o metal é resfriado a baixíssimas temperaturas o spin atômico passa para um estado de “superposição quântica“. Neste estado, seu pólo-norte aponta em 2 direções opostas ao mesmo tempo; e toda a nuvem de elétrons ao redor do spin também é simultaneamente magnetizada…em 2 direções. — Para melhor entender este efeito… uma equipe de cientistas do…”Centro para Nanotecnologia de Londres”…e da “College London University”…juntamente com um grupo de pesquisa da ‘IBM’ empregaram uma técnica criada em 2007, para prever quando o efeito Kondo ocorrerá, e assim entender sua causa:  para os cientistas, esta se justificaria pela forma como a geometria das imediações diretas de um átomo magnetizado influencia o momento magnético (spin) do átomo. (texto base) ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Um ímã tem um campo magnético… mas, nele não há campo elétrico. — Um ‘cristal piezoelétrico’por outro lado, pode gerar um campo elétrico — mas não um campo magnético… — Ter os 2 ao mesmo tempo parecia impossível…como explica Andrei Pimenov, da Universidade de Tecnologia de Viena/Áustria… “Normalmente… os 2 efeitos são criados de modo bem diverso.  O ‘ordenamento magnético’ surge…ao se alinharem os momentos magnéticos dos elétrons; e a ‘ordenação elétrica’ aparece quando cargas positivas e negativas movem-se umas em relação às outras”. Porém em 2006 Pimenov encontrou indícios de excitações, tanto na ordenação elétrica, quanto magnética. — Ele as denominou… “eletromagnons”.

O Monopolo de Dirac‘Monopolos magnéticos observados em laboratório’ (set/2009)  ‘Magnetismo da luz’ (2010) # ‘Monopolos magnéticos quânticos em laboratório’ (2014)  *********************************************************************************

Monopolos magnéticos finalmente isolados com simulador quântico‘                  Usando um computador quântico D-Wave como bancada de testes, cientistas do Laboratório Nacional Los Alamos enfim isolaram os “monopolos magnéticos”.

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Os monopolos magnéticos foram visualizados viajando através da matriz de qubits do processador quântico. [Imagem: LANL]

Se conseguíssemos separar: o pólo norte e o pólo sul de um ímã, estes seriam compreendidos, como uma classe de“quasipartículas”uma classe que impactadesde a nossa percepção mais fundamental da matéria… – até o desenvolvimento tecnológico de materiais artificiais, criados em laboratório para que então possam apresentar a melhor propriedade … que se espera deles.

Monopolos magnéticos…como partículas elementares foram postulados por muitos, notoriamente por Paul Dirac, mas se mostraram elusivos até agora. Nessas condições…o objetivo dos pesquisadores então, foi o de estudar sua…”emergência”, explorando a dinâmica coletiva dos ‘qubits’…O processo envolveu utilizar um ‘computador quântico’, não para fazer cálculos, mas como um…”simulador” onde estes qubits servem como “átomos artificiais”, para criar um tipo especial de matéria chamado…”gelo de spin“.

Diferentemente dos “processadores quânticos”, os “simuladores quânticos” são usados para modelar o comportamento de moléculas e outras partículas quânticas, compostas        por elementos de uma grande aleatoriedade e complexidadeo que torna muito difícil saber como estas se comportam e reagem a alterações no ambiente. Esses simuladores        têm sido muito usados para simular ligações químicas, a partir de leis fundamentais.  Neste experimento, qubits funcionaram como uma matriz de nanoímãs…organizados    em um padrão geométrico específico – uma ‘rede dipolar’ – que os faz interagirem uns com os outros. — No experimento, ficou assim demonstrado de uma forma inequívoca, que “monopolos magnéticos” não apenas podem emergir de uma estrutura de spin subjacente como podem ser controlados…isolados e estudados com grande precisão.

Como explicou o psquisador Cristiano Nisoli, um dos autores do estudo: “Nós apenas arranhamos a superfície dessa abordagem. Os sistemas anteriores de…’gelo de spin artificial’ foram construídos com ‘nanoímãs’, e obedeciam à ‘física clássica’…Mas este experimento é totalmente quântico…Para evitar ‘saltos quânticos’, nos concentramos      por enquanto em um estudo semi-clássico mas no futuro, poderemos amplificar as ‘flutuações quânticas’, e investigar interessantes questões – de decoerência, memória, informação quântica e ordem topológica, com implicações tecnológicas significativas”.

Os resultados já têm consequências tecnológicas particularmente relevantes na área            dos insumos para produzir nanoímãs com funcionalidades avançadas para sensores              e computação. Funcionando como portadores de ‘informações binárias’, monopolos também podem ser relevantes à…”spintrônica”. Além dos interesses mais imediatos,          Nisoli sugere que o experimento pode ser um divisor de águas, para o modo de lidar      com a física fundamental em teorias como o ‘Modelo Padrão da Física de Partículas’.

Segundo Nisoli: “Se alguém nos perguntar…O que é uma partícula?…Nós mostramos        aqui experimentalmente que…não apenas as partículas, mas também suas interações        de longo alcance, podem ser tratadas como uma ‘descrição de nível superior’, de uma estrutura subjacente mais simples  que está apenas acoplada aos seus vizinhos mais próximos. – Mas será que até partículas e interações fundamentaiscomo léptons e quarks poderiam, em vez disso, ser interpretadas como uma descrição emergente, de    nível superior…de um substrato binário de nível inferior mais complexo — da mesma forma que estes monopolos emergem de um monte de qubits?” (texto base) ago/2021  ****************************(texto complementar)*******************************

Buraco negro pode funcionar como usina descomunal de energia (jun/2020)      Uma teoria pensada há mais 50 anos…que começou como uma especulação sobre como uma “civilização alienígena” poderia usar um “buraco negro” para gerar energiaacaba      de ser experimentalmente verificada pela 1ª vez por físicos da Universidade de Glasgow.

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Foto do experimento no qual ondas de som foram usadas para mostrar que um buraco negro pode ser uma fonte virtualmente inesgotável de energia. [Universidade de Glasgow]

R. Penrose…em 1969 sugeriu que uma certo valor de energia poderia ser gerado, quando um objeto penetrasse na ‘ergosfera’ de um “buraco negro” (camada externa do seu – “horizonte de eventos”, onde um objeto teria que se mover, mais rápido que  a luz, para permanecer imóvel).  Penrose previu…que tal objeto poderia capturar uma energia negativa nessa área incomum do espaço… Ao soltar o objeto,    e dividi-lo em 2…uma metade cairia no BN…enquanto outra, ao ser recuperada indicaria em termos efetivosperda de energia negativa‘…ganhando uma ‘taxa de energia’ extraída da rotação do buraco negro.

A escala da engenharia exigida pelo processo seria tão grande – que…segundo Penrose, apenas uma civilização muito avançada, talvez alienígena, teria possibilidade de vencer        o desafio, de fato, muito maior do que aquele da chamada “esfera de Dyson“, que prevê capturar energia “apenas” de uma reles estrela. Dois anos depois, em 1971, outro físico, Yakov Zeldovich…o mesmo que previu a existência dos “anapolos magnéticos“, sugeriu que a teoria de Penrose poderia ser testada de uma forma mais práticaao alcance dos terráqueos. Ele propôs que ondas de luz torcida, atingindo a superfície de um cilindro    de metal girando numa dada velocidade, acabariam sendo refletidas com energia extra; extraída da rotação do cilindro… — por uma peculiaridade do efeito doppler rotacional.

Mas a ideia de Zeldovich permaneceu também no campo da teoria,                                      pois, para que o experimento funcionasse…o cilindro de metal que                                        ele propôs deveria girar pelo menos 1 bilhão de vezes por segundo;                                      outro desafio insuperável – ao atual limite da engenharia humana.

Ondas acústicas torcidas & efeito doppler rotacional                                            

Recentemente, pesquisadores da Universidade de Glasgow finalmente encontraram um modo de demonstrar experimentalmente o efeito proposto por Penrose e ZeldovichEm vez de usar a luz, eles usaram o som…uma fonte de frequência muito mais baixa, e assim, bem mais prática para se trabalhar em laboratório. Marion Cromb e colegas construíram um sistema que emprega um pequeno anel de alto-falantes – para criar ‘torções’ na onda sonora, análogas àquelas na onda luminosa propostas por Zeldovich. Tais ondas sonoras torcidas foram então direcionadas para um…”absorvedor de som rotativo” … feito de um disco de espuma. – Um conjunto de microfones…atrás do disco…captava o som dos alto-falantes…conforme passavam pelo disco; o que aumentava constantemente a velocidade de sua rotação. – Para conferir se as teorias de Penrose e Zeldovich estavam corretas – a equipe esperava ouvir uma mudança específica, na frequência e na amplitude das ondas sonoras, enquanto elas viajavam através do disco…como um resultado do efeito doppler.

energia-buraco-negro-1

Dezesseis alto-falantes são dispostos em um anel (diâmetro de 47 cm) para criar um campo acústico com ondas torcidas, canalizado por guias de onda acústicos para uma área menor (diâmetro de 19 cm) e incidindo em um disco rotativo de espuma absorvente de som (S). [Cromb et al.]

A versão linear do ‘efeito doppler’ é familiar para a maioria das pessoas — uma vez que o fenômeno ocorre quando o tom de uma sirene de ambulância parece subir à medida que    se aproxima do ouvinte…mas cai à medida que se afasta. Ele parece aumentar porque as ondas sonoras estão chegando ao ouvinte…com uma frequência maior à medida que a ambulância se aproxima, e menor, à medida que passa. – Como explicou Marion Cromb:

“O efeito doppler rotacional é semelhante, mas é limitado a um espaço circular.                    Ondas sonoras torcidas mudam de tom, quando medidas da superfície rotativa.                    Se a superfície gira rápido o suficiente — então a ‘frequência sonora’ pode fazer                algo muito estranho… – ela pode passar de uma frequência positiva…para uma                  frequência negativa — e, ao fazê-lo… — rouba energia da rotação da superfície”.

Usina do “buraco negro”

À medida que…durante o experimento, a velocidade do disco giratório aumentava,              o tom do som dos alto-falantes diminuía…até que se tornasse muito baixo para ser          ouvido. – Então, voltou a subir novamenteaté superar o tom anteriorcom uma amplitude até 30% maior que o som original dos alto-falantes. Como disse Marion:              “O que ouvimos durante o experimento foi extraordinário. O que acontece, é que a frequência das ondas sonoras está sendo levada até o zero…pelo efeito doppler – à                medida que a velocidade de rotação aumenta… Quando o som retorna novamente,              é porque as ondas foram deslocadas de uma frequência positiva — a uma negativa.          Essas ‘ondas negativas’ podem então absorver parte da energia do ‘disco giratório’, tornando-se mais altas no processo…exatamente como Zeldovich propôs em 1971”.

A conclusão geral é que Penrose e Zeldovich estavam certos: uma suficientemente avançada civilização poderá desfrutar da energia extraída de um ‘BN‘. (texto base***************************************************************************

Humanidade poderá no futuro extrair energia de buracos negros (jan/2021)      Luca Comisso (Universidade de Colúmbia, EUA) e Felipe Asenjo (Universidade Adolfo Ibañez, Chile) propõem quebrar e reconectar as linhas do “campo magnético” perto do “horizonte de eventos” de um ‘buraco negro’, o ponto de onde nada mais pode escapar.

energia-buraco-negro

“Daqui a milhares ou milhões de anos, a humanidade poderá sobreviver ao redor de um buraco negro, sem precisar da energia das estrelas. É um problema essencialmente tecnológico. Se olharmos para a física, não há nada que impeça isso.” [ParallelVision/Pixabay]

Buracos negros são comumente cercados por uma ‘sopa’ quente de partículas de plasma que carregam um ‘campo magnético’. Uma nova teoria propõe que, quando as linhas do campo magnético…de uma certa maneira…se desconectam e se reconectam, elas podem acelerar estas partículas de plasma para…”energias negativas”… e, dessa forma, grandes quantidades de energia do buraco negro poderiam ser extraídas… Tal mecanismo então, forneceria uma fonte de energiavirtualmente inesgotável para uma suficientemente avançada civilização. Para nóspor enquanto, poderá permitir aos astrônomos estimar melhor a rotação dos buracos negros… – bem como calcular as emissões de sua energia.

Energia negativa

Comisso e Asenjo construíram sua teoria com base na premissa de que a reconexão            de campos magnéticos acelera as partículas de plasma em duas direções diferentes.        Um fluxo de plasma é empurrado contra o giro do buraco negro…enquanto o outro              é impulsionado na direção da rotação, podendo assim escapar do buraco negro – o          que resultará ‘liberação de energia’ — se o plasma engolido pelo buraco negro tiver          energia negativa“. — Basicamente, um BN libera energia ao engolir partículas de              “energia negativa” – tudo o que precisamos fazer…é recolher essa energia liberada.

Isso pode parecer estranho, mas pode acontecer em uma região chamada ergosfera,      onde o contínuo espaçotempo gira tão rápido…que todos os objetos giram na mesma direção do buraco negro. Dentro da ergosfera, a ‘reconexão magnética‘ é tão extrema,        que partículas de plasma são aceleradas…a velocidades próximas à velocidade da luz.          É a alta velocidade relativa entre os fluxos de ‘plasma capturado’ – e aqueles em fuga,      que poderá permitir a extração de enormes quantidades de energia do ‘buraco negro’.

Ficção realística                                                                                                                            “É calculado que o processo de energização do plasma atinja uma eficiência de 150%.      Nesse caso… — alcançar uma eficiência superior a 100% seria possível… — graças ao vazamento da energia que é distribuída para o plasma, que escapa do buraco negro.”

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Ilustração esquemática do mecanismo de extração de energia de um buraco negro em rotação por reconexão magnética na ergosfera.

Embora possa parecer coisa de…ficção científica… a ‘mineração’ da energia de buracos negros, pode ser a resposta para nossa demanda futura de energia, como assim explicou Comisso: “Daqui    a milharesou milhões de anos, pode ser que a humanidade sobreviva ao redor de um ‘BN sem necessitar da energia das estrelasEste problema é essencialmente tecnológico…Na física, não há nada impedindo que aconteça.”

Mas, o processo de extração de energia imaginado por Comisso e Asenjo, pode já estar operando naturalmente em um grande número de buracos negros. Pode ser ele que          está causando as erupções de buracos negros – poderosas explosões de radiaçãoque podem ser detetadas da Terra. Como disse Asenjo: “Nosso conhecimento crescente de como a reconexão magnética ocorre nas vizinhanças de um buraco negro pode ser crucial para orientar nossa interpretação das observações dos buracos negros…atuais,          e futuras como as recentemente realizadas pelo…Event Horizon Telescope(M87).

Na verdade, esta não é a primeira proposta para extrair energia de “buracos negros”.          Nos últimos 50 anos, vários físicos têm buscado métodos para tirar proveito desses monstros cósmicos. — O físico Roger Penrose teorizou que a desintegração de uma partícula poderia extrair energia de um buraco negro Stephen Hawking também            propôs (“Radiação Hawking“) que os buracos negros poderiam liberar energia, por          meio de “emissões quânticas” — e Roger Blandford e Roman Znajek – sugeriram o              ‘torque eletromagnético’ como principal agente de extração da energia. (texto base

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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3 respostas para Reconexão Magnética – ‘que vá tudo pro infinito!’…

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