Experimento tenta mostrar como planetas e estrelas se formam

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/02/2019

Um cilindro externo (transparente) e outro interno (opaco) giram em velocidades diferentes para tentar criar um análogo do que acontece nos discos de acreção planetários e estelares. [Imagem: Eric Edlund/Elle Starkman]

Do caos à organização

Como é que as estrelas e os planetas se desenvolveram a partir das nuvens de poeira e gás que no início do Universo preenchiam todo o cosmos?

Quando se tem em mente a entropia, parece difícil justificar essas aglomerações de matéria, mas o fato é que planetas e estrelas estão aí, e a coisa deve ter acontecido de algum modo - a entropia já foi usada para produzir a ordem em nanoescala e de criar cristais complexos, por exemplo.

Um experimento realizado no Laboratório de Física de Plasma da Universidade de Princeton está agora ajudando a validar uma das poucas teorias que tentam explicar esse fenômeno tão fundamental.

Instabilidade magnetorrotacional

O experimento demonstrou a validade de uma teoria conhecida como "instabilidade magnetorrotacional", ou IMR, que tenta explicar a formação dos corpos celestes.

Embora não explique o início de tudo - pressupõe-se um corpo central com gravidade suficiente -, a teoria sustenta que a IMR (instabilidade magnetorrotacional) permite que discos de acreção, nuvens de poeira, gás e plasma que giram em torno de estrelas e planetas em crescimento entrem em colapso, fornecendo matéria que permitirá que o objeto cresça.

Esse colapso aconteceria porque o turbilhão de plasma, tecnicamente conhecido como "fluxo kepleriano", gradualmente se torna instável dentro de um disco. A instabilidade diminuiria o momento angular - o processo que impede que os planetas em órbita sejam atraídos para o Sol - em seções internas do disco, que então cairia nos corpos celestes nascentes.

Ao contrário do que ocorre nos planetas orbitando suas estrelas, a matéria em discos de acreção densos pode experimentar forças como a fricção, que faz com que os discos percam momento angular e sejam atraídos para os objetos em torno do qual circulam. Entretanto, tais forças não podem explicar completamente quão rapidamente a matéria deve cair em objetos maiores para que planetas e estrelas se formem em uma escala de tempo razoável.

• Encontrando ordem no caos da turbulência

Esquema do experimento. [Imagem: Kyle Caspary]

Experimento de instabilidade magnetorrotacional

O experimento consiste em dois cilindros concêntricos, cheios de água, que giram em velocidades diferentes. Uma bola de plástico, também cheia de água, fica presa por uma mola a um poste no centro do dispositivo. A ideia é que o alongamento e a flexão da mola imitem as forças magnéticas no plasma nos discos de acreção.

Os pesquisadores então puseram os cilindros para girar e analisaram o comportamento da bola, vista de cima para baixo.

Eles compararam os movimentos da bola conforme o aparato girava em diferentes velocidades. "Sem alongamento [da mola], nada acontece com o momento angular. Nada também acontece se a mola for muito forte," conta Hantao Ji, membro da equipe.

No entanto, a medição direta dos resultados mostra que, quando a mola é fraca - um análogo das condições dos campos magnéticos nos discos de acreção - o comportamento do momento angular da bola é consistente com as predições da IMR.

Os resultados, segundo a equipe, mostram que a bola girando e fracamente ancorada ganha momento angular e se desloca para fora durante o experimento. Como o momento angular de um corpo em rotação deve ser conservado, qualquer ganho no momento deve ser compensado por uma perda de momento na seção interna, permitindo que a gravidade sugue o material do disco de acreção rumo ao corpo celeste em formação.

"O experimento corrobora a teoria: o transporte de momento angular eficiente se manifesta apenas para casos com uma mola fraca em fluxo quasi-keperiano. Nosso método experimental realiza isso de uma nova maneira, conectando a mecânica sólida e a mecânica de fluidos à astrofísica do plasma," escreveu a equipe.

A próxima etapa para validação da teoria é tentar detectar a instabilidade magnetorrotacional no espaço.

• Planetas são maiores do que os discos que os originam?

Bibliografia:

Experimental confirmation of the standard magnetorotational instability mechanism with a spring-mass analogue
Derek M. H. Hung, Eric G. Blackman, Kyle J. Caspary, Erik P. Gilson, Hantao Ji
Nature Communications Physics
Vol.: 2, Article number: 7
DOI: 10.1038/s42005-018-0103-7

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