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Campos Magnéticos em Galáxias Espirais Explicado

O fato de que as galáxias espirais possuem um campo magnético é algo conhecido já há meio século (e as previsões que eles devem existir antecedem a descoberta por alguns anos), e que alguns campos magnéticos de galáxias têm sido mapeados em grande detalhe também já é algo comum.

Mas como esses campos magnéticos possuem essas características que nós observamos neles? E como essas características persistem?

Um artigo recente escritos por astrônomos do Reino Unido Stas Shabala, James Mead e Paul Alexander pode conter as respostas para essas questões, sendo quatro processos físicos os responsáveis por isso: preenchimento do disco com gás frio, retroalimentação via uma supernova (esses dois responsáveis por aumentar a turbulência magnetohidrodinâmica), formação de estrelas (esse responsável por remover gás e então energia turbulenta do gás frio) e rotação diferencial galáctica (esse processo transferindo continuamente energia para o campo, a partir de um campo aleatório incoerente em um campo ordenado). Contudo, no mínimo um desses quatro processos é necessário, pois os modelos dos astrônomos são inconsistentes com os campos observados de galáxias massivas espirais.

“Emissões de rádio síncrotron de elétrons de alta energia no meio interestelar (ISM) indicam a presença do campo magnético nas galáxias. Medidas de rotação das fontes polarizadas de fundo (RM) indicam duas variedades de campo: um campo aleatório, que não é coerente em escalas maiores do que a turbulência do ISM; e um campo espiral ordenado que exibe coerências em grande escalas”, escreveram os autores. “Para uma galáxia típica esses campos têm forças de alguns ?G. Em uma galáxia como a M51, o campo magnético coerente é observado como sendo associado com os braços espirais vistos na luz visível. Esses campos são importantes no processo de formação de estrelas e a física dos raios cósmicos, e poderiam também ter um efeito na evolução da galáxia, ainda assim, apesar da sua importância, questões sobre a sua origem, evolução e estrutura permanecem sem solução”.

Imagem da M51 (Hubble) sobreposta pela intensidade de rádio de 6cm, mostrando os contornos e a polarização dos vetores.

Esse campo na astrofísica está fazendo rápidos progressos, o entendimento de como os campos aleatórios são gerados está se tornando algo razoavelmente bem estabelecido a partir da última década ou um pouco mais (ele é gerado pela turbulência no ISM, modelado como um fluido magnetohidrodinâmico de fase simples (MHD) dentro do qual as linhas do campo magnético são congeladas). Por outro lado, a produção de campos em grande escala, pela rotação de campos aleatórios em forma de espiral, pelo diferencial de rotação (dínamo), já se tem o conhecimento há muito tempo.

Os detalhes de como campos ordenados em espiral se formam a medida que as galáxias são formadas – dentro de algumas centenas de milhões de anos de desacoplamento da matéria bariônica e radiação (que dá origem a radiação cósmica de fundo que nós observamos hoje) – estão se tornando claros, embora testar essa hipótese ainda não é possível de maneira observacional (poucas galáxias com um redshift alto tem sido estudadas no óptico e no infravermelho próximo, fazendo com que seus campos magnéticos não possam ser mapeados em detalhe).

“Nós apresentamos a primeira (no nosso conhecimento) tentativa de incluir campos magnéticos em um modelo consistente de formação e evolução de galáxias. Como uma grande quantidade de parâmetros das galáxias podem ser previstos, nós podemos comparar essas previsões com dados disponíveis”, disse Shabala, Mead e Alexander. Eles começam a investigação com um modelo de formação e evolução de galáxias, analítico, onde traços de gás frio, estrelas em formação e vários processos são retroalimentados em um contexto cosmológico. O modelo reproduz simultaneamente as propriedades locais das galáxias, a história de formação de estrelas do universo, a evolução da função de massas estelares para z~1.5 e o início do processo de geração de galáxias massivas. O ponto central do modelo é a energia cinética turbulenta do ISM e a energia do campo magnético aleatório: os dois se tornam iguais em escala de tempo que se pode dizer instantânea em termos de escalas cósmicas.

Os motores do processo são os processos físicos que injetam energia no ISM e removem energia deles.

“Uma das fontes mais importantes de injeção de energia no ISM são as supernovas”, escrevem os autores. “O processo de formação de estrelas remove energia turbulenta, como era de se esperar e o gás faz a acresção a partir do depósito do halo de matéria escura que é sua energia potencial em turbulência”. Nos modelos existem somente quatro parâmetros livres – três descrevem a eficiência do processo que adiciona e remove turbulência do ISM e um diz o quão rápido campos ordenados surgem de campos aleatórios.

Estão os autores empolgados com os resultados? Para isso, basta ouvir deles que duas amostras locais são usadas para testar o modelo. O modelo reproduz a força e a luminosidade do campo magnético para um vasto intervalo de galáxias com pouca massa e com massa intermediária.

O que eles acham que é necessário para considerar as observações detalhadas das galáxias espirais com muita massa? Respondem eles que é a inclusão da injeção de gás por poderosos núcleos de galáxias ativas para então se extinguir o gás resfriado.

Tudo isso sem considerar que a próxima geração de rádio telescópios – EVLA, SKA e o LOFAR – irão levar todos os modelos de campos magnéticos de galáxias (não apenas os das espirais) para testes mais exigentes e mesmo a hipótese da formação desses campos a mais de 10 bilhões de anos atrás poderá ser testada.

Fontes:

http://www.universetoday.com/2010/04/03/magnetic-fields-in-spiral-galaxies-%25e2%2580%2593-explained-at-last/

http://arxiv.org/abs/1003.3535

Sérgio Sacani

Formado em geofísica pelo IAG da USP, mestre em engenharia do petróleo pela UNICAMP e doutor em geociências pela UNICAMP. Sérgio está à frente do Space Today, o maior canal de notícias sobre astronomia do Brasil.

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