Interligação entre turbulência, reconexão magnética e produção de raios cósmicos em plasmas astrofísicos não relativísticos e relativísticos

Resumo

A turbulência magnetizada é onipresente nos plasmas astrofísicos e crucial para a formação de estruturas densas e estrelas, a estabilidade de nuvens moleculares, a amplificação de campos magnéticos, a reconexão magnética e a produção e difusão de raios cósmicos. Durante a última década, ficou claro que a cascata de turbulência magnetizada que transfere energia dos movimentos em grande escala para a escala de dissipação não pode ser completamente compreendida sem levar em conta a reconexão magnética, um processo fundamental em plasmas magnetizados responsável por mudanças topológicas de campos e associado à liberação de energia magnética em regiões de aniquilação do campo magnético. Por outro lado, a reconexão magnética na presença de turbulência externa ou autogerada torna-se rápida. Esses fatos indicam uma relação forte e íntima entre esses dois fenômenos e sua importância para a dinâmica dos sistemas astrofísicos. Além disso, eles podem ser responsáveis pela radiação não térmica, atuando como processo de Fermi de primeira ordem, um mecanismo de aceleração capaz de produzir raios cósmicos de alta energia a partir de partículas térmicas em sistemas não relativísticos e relativísticos sem a necessidade da presença de fortes choques. Portanto, uma compreensão profunda desses três fenômenos: turbulência magnetizada, reconexão magnética e aceleração dos raios cósmicos e a interligação entre eles é a chave para entender a dinâmica dos plasmas astrofísicos. Por várias décadas, um esforço significativo foi colocado na compreensão desses fenômenos de forma independente. Nos últimos anos, porém, a comunidade científica tem percebido a importância de se entender a relação entre esses processos. O objetivo deste projeto é realizar um estudo teórico sistemático apoiado em modelagem numérica da interligação entre turbulência, reconexão magnética e produção de raios cósmicos em plasmas não relativísticos e relativísticos, com foco em regimes fortemente e fracamente colisionais, cobrindo a grande maioria de plasmas astrofísicos. Pretendemos investigar o papel das instabilidades na geração de turbulência local, a força e propriedades desta turbulência, seus efeitos na taxa de reconexão global, a eficiência do mecanismo de aceleração baseado na reconexão magnética turbulenta, bem como, as dependências destes processos do plasma-$\beta$, o número de Lundquist e o grau de anisotropia de pressão. As conclusões desses estudos serão aplicadas para entender as medições de satélite das interações entre o vento solar e a magnetosfera, o papel da reconexão turbulenta na dinâmica da coroa solar, o papel da difusão da reconexão magnética no processo de formação estelar, as observações de radiação não térmica em estrelas binárias com ventos em colisão, erupções de raios gama e núcleos galácticos ativos. (AU)