Reconexão magnética, maximizada por turbulência, explica formação de raios cósmicos superenergéticos

Estudo conduzido na USP simulou o fenômeno e foi destaque na revista Nature Astronomy

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Raios cósmicos chegam à Terra o tempo todo. As partículas provenientes do espaço exterior podem ter sua origem no Sol, em outras regiões da Via Láctea ou em galáxias distantes. Há também raios cósmicos formados na própria atmosfera terrestre, pela interação das partículas que vêm de longe com a matéria local. Para raios cósmicos de energias menores, de até 10¹¹ elétrons-volts (eV), a frequência é de um por metro quadrado por segundo. Mas existem raios cósmicos de energias extremamente altas, que podem chegar a 10²⁰ eV. Estes são bem mais raros e aparecem com uma frequência de um por quilômetro quadrado por século. Para se ter ideia do que significam 10²⁰ eV, basta dizer que no LHC (Large Hadron Collider), o maior colisor de partículas da atualidade, o máximo de energia conferida a uma partícula é da ordem de 10¹³ eV. Isso significa que os raios cósmicos de energia extremamente alta são até 10 milhões de vezes mais energéticos.

O modelo-padrão para explicar a aceleração das partículas de energias menores é por ondas de choque. Propelidas pela frente de onda, elas sofrem sucessivas colisões e são aceleradas cada vez mais. Porém, esse modelo parece não funcionar para as partículas de energias extremamente altas. E, nesses casos, uma explicação alternativa precisa ser encontrada. Um estudo tratando do tema – especificamente da aceleração de partículas em jatos relativísticos de núcleos ativos de galáxias – foi publicado por pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) no Astrophysical Journal . E teve uma recepção tão favorável a ponto de ser destacado na sessão “Research Highlights” (Destaques da Pesquisa) da revista Nature Astronomy.

Intitulado “Particle Acceleration by Magnetic Reconnection in Relativistic Jets: The Transition from Small to Large Scales”, o trabalho foi realizado no Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG-USP) por Tania Medina Torrejón e por sua então orientadora de doutorado, Elisabete de Gouveia Dal Pino. E teve a participação de Grzegorz Kowal, da Escola de Artes, Ciências e Humanidades (EACH-USP). Recebeu apoio da FAPESP por meio de quatro projetos (13/10559-5, 19/03301-8, 21/06502-4 e 09/54006-4).

“Por simulação computacional, nós verificamos que a aceleração das partículas em jatos de núcleos ativos de galáxias é causada por reconexão magnética e maximizada por efeitos de turbulência”, conta Gouveia Dal Pino à Agência FAPESP.

Devido à rotação do disco de acreção formado pela matéria que colapsa no buraco negro existente no núcleo ativo de galáxia e também ao spin deste, os jatos rebatidos pelo buraco negro nos dois sentidos da direção ortogonal ao disco são dotados de campos magnéticos helicoidais. O estudo considerou uma porção do jato próxima ao buraco negro e injetou nela as partículas de teste.

Como as linhas de campo de polaridades opostas se atraem, isso produz uma incessante reconfiguração do campo. As partículas são aceleradas nos locais de reconexão magnética principalmente por meio do chamado ‘processo de Fermi’, analogamente ao que acontece na aceleração por ondas de choque.

“Essa explicação foi proposta pela primeira vez em 2005, por mim e por Alex Lazarian, pesquisador da Universidade de Wisconsin. Nesse processo, partículas aprisionadas entre as linhas de campo magnético que sofrem reconexão colidem várias vezes com flutuações magnéticas. Isso acarreta a aceleração e o crescimento exponencial da energia dessas partículas. No jato, as turbulências no interior do fluxo, distorcendo as linhas de força, criam pontos de reconexão cada vez mais rápida. Aceleradas nessas regiões de reconexão através das linhas de campo, as partículas alcançam velocidades muito próximas à da luz”, detalha Gouveia Dal Pino.

A aceleração por reconexão pode explicar as ocorrências dos fenômenos mais energéticos observados nos jatos de núcleos ativos de galáxias, com a emissão de raios gama e neutrinos.

O artigo Particle Acceleration by Magnetic Reconnection in Relativistic Jets: The Transition from Small to Large Scales pode ser acessado em: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acd699.