A investigação das estruturas da coroa solar levou Paul Bellan, professor de física aplicada do Caltech, e seu ex-aluno de pós-graduação Yang Zhang (PhD '24) a descobrir um novo estado de equilíbrio do campo magnético e do plasma associado. A coroa solar, a parte mais externa da atmosfera solar, é muito menos densa que a superfície solar, mas é um milhão de vezes mais quente. A coroa é composta por fortes campos magnéticos que confinam o plasma, uma sopa gasosa de partículas carregadas (elétrons e íons). O novo equilíbrio, chamado de dupla hélice, aplica-se não apenas à coroa solar, mas também a configurações astrofísicas muito maiores, como a Nebulosa da Dupla Hélice, localizada perto do centro da Via Láctea.

Estruturas da coroa solar, como erupções, frequentemente têm a forma de cordas de fluxo magnético: tubos retorcidos de campos magnéticos contendo plasma. Tal corda pode ser visualizada como uma mangueira de jardim cheia de plasma com uma faixa enrolada em um padrão helicoidal. Uma corrente elétrica flui ao longo do comprimento da mangueira, e a faixa helicoidal corresponde ao campo magnético retorcido. Por estar carregado, o plasma conduz correntes elétricas e fica preso, ou "congelado", em campos magnéticos.

Cordas de fluxo magnético ocorrem em uma variedade de situações, desde a escala humana — digamos, um experimento de laboratório — até situações absolutamente gigantescas: erupções solares com algumas centenas de milhares de quilômetros de extensão. Estruturas astrofísicas com cordas de fluxo magnético também podem se estender por centenas ou até milhares de anos-luz.

Em uma grande câmara de vácuo de laboratório, Bellan e Zhang (agora bolsista de pós-doutorado Jack Eddy da NASA em Princeton) produziram réplicas de erupções solares medindo entre 10 e 50 centímetros de comprimento. "Temos dois eletrodos dentro da câmara de vácuo, que possui bobinas que produzem um campo magnético que atravessa os eletrodos. Em seguida, aplicamos alta voltagem nos eletrodos para ionizar o gás inicialmente neutro e formar um plasma", explica Yang. "A configuração de plasma magnetizado resultante forma automaticamente uma estrutura trançada."

Essa estrutura trançada consiste em duas cordas de fluxo que se enrolam uma na outra para formar uma estrutura de dupla hélice. Nos experimentos, observou-se que essa dupla hélice se encontrava em equilíbrio estável — ou seja, ela mantém sua estrutura sem tender a se torcer mais ou se destorcer. Em um novo artigo, Zhang e Bellan demonstram que o equilíbrio estável dessas cordas de fluxo de dupla hélice pode ser compreendido, analisado e previsto com precisão em termos matemáticos.

Embora as propriedades dos cabos de fluxo simples sejam bem conhecidas, os cabos de fluxo trançados não eram bem compreendidos — especialmente aquelas configurações em que as correntes elétricas fluem na mesma direção ao longo de ambos os fios trançados. Cientistas modelaram a outra situação possível — em que as correntes fluem em uma direção em um cabo de fluxo e na direção oposta no outro —, mas esse cenário é considerado improvável na natureza.

A configuração de mesma corrente é especialmente importante porque seria suscetível a torções e expansões causadas por forças de arco — fenômenos observados tanto em estruturas solares trançadas quanto em experimentos de laboratório. Tais torções e expansões não devem ocorrer quando a corrente flui em direções opostas nos fios trançados (um estado de "sem corrente líquida").

Anteriormente, os cientistas presumiam que cordas de fluxo trançadas, nas quais os fios têm corrente fluindo na mesma direção, sempre se fundiriam, porque correntes paralelas se atraem magneticamente. No entanto, em 2010, pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos descobriram que essas cordas de fluxo, em vez disso, ricocheteiam umas nas outras à medida que se aproximam.

"Claramente, havia algo mais complicado acontecendo quando os cabos de fluxo eram trançados, e agora mostramos o que é", diz Bellan. "Se você tem correntes elétricas fluindo ao longo de dois fios helicoidais que se enrolam para formar uma estrutura trançada, como visto em nosso laboratório, os componentes das duas correntes que fluem ao longo dos dois fios são paralelos e se atraem, mas os componentes das duas correntes que fluem na direção do enrolamento são antiparalelos e se repelem. Essa combinação de forças atrativas e repulsivas significa que haverá um ângulo helicoidal crítico no qual essas forças opostas se equilibram, produzindo um equilíbrio. Se os cabos de fluxo helicoidais se torcerem mais firmemente, haverá muita repulsão magnética; se eles se torcerem mais frouxamente, haverá muita atração magnética. No ângulo crítico de torção, a estrutura helicoidal atinge seu estado de menor energia, ou equilíbrio."

A próxima tarefa foi criar um modelo matemático desse comportamento — algo inédito até então. Usando o que Bellan descreve como "matemática da força bruta", Zhang criou um conjunto de equações que poderiam ser aplicadas a múltiplos tubos de fluxo em diversas configurações, incluindo cordas trançadas, e demonstrou que existe de fato um estado em que as forças atrativas e repulsivas se equilibram, criando um equilíbrio. "E, como um bônus inesperado, Yang consegue calcular os campos magnéticos dentro e fora das cordas de fluxo, bem como a corrente e a pressão dentro delas", diz Bellan, "o que nos dá uma visão completa do comportamento dessas estruturas trançadas."

Zhang testou seu modelo matemático com a Nebulosa da Dupla Hélice, uma formação de plasma astrofísico localizada a 25.000 anos-luz da Terra, que cobre uma faixa de 70 anos-luz do espaço, para verificar se as equações poderiam descrever um modelo tão amplo quanto as estruturas que ele e Bellan criaram em laboratório. "O que foi bastante surpreendente nesse cálculo é que Yang não precisava saber muito sobre a nebulosa", diz Bellan. Conhecendo apenas o diâmetro dos filamentos e a periodicidade da torção, números que podem ser observados astronomicamente, Yang foi capaz de prever o ângulo de torção que produziria uma estrutura de equilíbrio, e isso foi consistente com as observações desta nebulosa. Um dos aspectos mais interessantes desta pesquisa é que a magneto-hidrodinâmica, a teoria dos plasmas magnetizados, revela-se fantasticamente escalável. Quando comecei a investigar isso, pensei que os fenômenos das estruturas magnéticas em diferentes escalas fossem qualitativamente semelhantes, mas, como seus tamanhos são tão diferentes, não poderiam ser descritos pelas mesmas equações. Acontece que não é bem assim. O que vemos em experimentos de laboratório e em observações solares e astrofísicas é regido pelas mesmas equações.

O artigo, intitulado "Magnetic Double Helix", foi publicado na Physical Review Letters e financiado pela National Science Foundation.