Hannes Alfvén Cosmologia do Plasma

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Raphael Camilo Casqueira
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1 ALUNO: Thiago Grasiano Mendes de Sá Hannes Alfvén Cosmologia do Plasma Hannes Olof Gösta Alfvén foi um importante físico que nasceu na Suécia, em 30 de maio de 1908 e que foi um dos pioneiros do campo de física do plasma. Estudou em Upsala. Casou-se em 1935 com Kerstin Maria Rikson, com quem teve cinco filhos. Em 1940, ingressou no Instituto de Tecnologia de Estocolmo e, em 1965, na Universidade da Califórnia, em San Diego. Trabalhou também na Universidade do Sul da Califórnia. Em 1970, ganhou o prêmio Nobel, juntamente com o francês Louis Eugène Félix Néel, por seu trabalho fundamental, que era a Física do Plasma e por descobertas em magneto - hidrodinâmica com aplicações úteis em diferentes partes de Física do Plasma. Morreu em Estocolmo, em 02 de abril de 1955, aos 86 anos. É dele a teoria da Cosmologia do Plasma, sobre a qual versa este ensaio. Tanto a distribuição de massa quanto a distribuição de estrelas na metagaláxia correspondem a um espaço não-homogêneo.

2 O modelo do plasma se baseia no equilíbrio de matéria e anti-matéria. Este equilíbrio se daria em células. O espaço inter-estelar e o intergaláctico exibiriam o mesmo tipo de célula, que é definida como o espaço que poderíamos ter acesso com uma nave. Mas isso não quer dizer que, porque não alcançamos um lugar, ele não faz parte da célula. As células ficariam simetricamente dispostas, de forma a haver regiões de matéria lado a lado com regiões com anti-matéria. Na interseção, é gerada muita radiação, de forma a empurrar as duas regiões e fazer com que elas fiquem em uma situação de equilíbrio (figura anterior). Como não há como saber o tamanho exato da célula, vamos considerar o tamanho dela como sendo o tamanho aproximado de uma estrela com o seu sistema (planetas, cometas, etc.). O nosso sistema solar, por exemplo, é feito de matéria. Mas nada impede que o sistema nosso vizinho seja feito de antimatéria, criando assim a fronteira de Leidenfrost, dividindo o sistema solar, de matéria, com o outro sistema estelar, que é de anti-matéria, como na figura. Até então, as únicas objeções à existência de anti-matéria em larga escala. Foram baseadas no modelo padrão e não em argumentos físicos relevantes. Ao mesmo tempo, algumas radiações observadas só podem ser explicadas a partir da aniquilação de matéria com anti-matéria. O espectro desses dois tipos de matéria é o mesmo, pois o sinal dos efeitos magnéticos observados depende tanto do tipo de matéria quanto do sinal do campo magnético, sendo que não temos acesso a esse. Além disso, somente o plasma que preenche o espaço não é capaz de explicar toda a radiação na forma de neutrinos, raios γ, elétrons e pósitrons relativísticos, sendo necessário o processo de aniquilação.

Um processo que é muito importante de ser estudado é a colisão de corpos de um tipo de matéria em estrelas que são formadas de outro tipo de matéria.

3 Um processo que é muito importante de ser estudado é a colisão de corpos de um tipo de matéria em estrelas que são formadas de outro tipo de matéria. Pensemos então na colisão de um asteróide com uma estrela. Este sistema constitui o que é chamado de ambistar, (ambiestrela), pois contém material dos dois tipos de matéria. O desenho abaixo representa este tipo de ambiestrela, chamado de modelo 1. O corpo, pequeno em relação à estrela, fica incrustado em sua superfície, separado pela fronteira de Leidenfrost. É produzido um gás de e - e e + que sai da fronteira. A temperatura aí é muito elevada. O corpo acaba por ser conduzido até próximo do eixo de rotação da estrela, do qual sai um jato de matéria e anti-matéria no formato de um cone, além de raios γ. Um outro tipo de colisão é quando 2 estrelas de tamanhos comparáveis e tipo de matéria diferente colidem. A colisão é muito inelástica, formando um sistema com as duas estrelas, chamado ambiestrela modelo 2. Ele tem fortes oscilações, separado pela fronteira de Leidenfrost. É liberado muito calor e o tempo da colisão é muito pequeno, da ordem de minutos, ou horas. Depois do tempo da colisão o sistema se torna mais estável.

O desenho acima representa este tipo de ambiestrela. Se o observador não estiver na direção do eixo de rotação, a ambiestrela se parecerá com uma estrela normal, porém com um pouco mais de brilho.

4 O desenho acima representa este tipo de ambiestrela. Se o observador não estiver na direção do eixo de rotação, a ambiestrela se parecerá com uma estrela normal, porém com um pouco mais de brilho. Na figura está representada a expulsão de gases que ocorre neste sistema. Se o observador estiver em um ângulo α pequeno, ele observará um desvio para o vermelho. Se α for próximo de 180º, o desvio será para o azul. Isto se deve porque os gases geram uma propulsão para a estrela. Do lado onde ocorre o jato, a radiação será bem mais intensa, de forma que será muito mais fácil observar um desvio para o vermelho que para o azul. Podemos então pensar em desvios para o vermelho não-cosmológicos de alguns QSOs (quase-stellar object) da seguinte forma: 1. aceitando que muitos QSOs, mas não todos, não estão em distâncias cosmológicas; 2. aceitando que a fonte de energia deva ser intrínseca; 3. assumindo que a energia é emitida unidirecionalmente; 4. e assumindo que as massas dos QSOs são comparáveis às massas solares, concluímos que os QSOs podem ser acelerados até velocidades relativísticas. Estas conclusões também funcionam adotando outra fonte de energia que atenda as características mencionadas, que não a anti-matéria. Pensando em todas estas considerações a respeito da Cosmologia do Plasma, podemos pensar em um modelo para a evolução da metagaláxia. Pela constante de Hubble, a metagaláxia jovem deveria ser menor. Porém, pelas observações temos que o tamanho mínimo seria 10% do tamanho observado hoje. Neste ponto, a metagaláxia pode ser chamada de proto-metagaláxia. Antes deste estágio, não temos informações, portanto, podemos pensar que a metagaláxia poderia estar: 1. muito menor, como previsto no modelo do Estrondão Quente; 2. com um tamanho estacionário, pelo menos por algum tempo;

5 3. contraindo até chegar ao tamanho de 0,1 R H, em que R H é o raio da metagaláxia hoje. A tabela abaixo mostra algumas características físicas desta proto-metagaláxia. Conclusões: 1. Explosões de raios γ e radiação de fundo de raios X ficam explicadas com a mesma teoria de plasma que podemos utilizar em laboratório. 2. Produção de elementos pesados funciona, pois tem todos os ingredientes necessários temperaturas extremas, devido à aniquilação, temperaturas altas, mas não tão extremas assim, no interior das estrelas e explosões de supernovas. 3. Para explicar a RFM, precisaríamos saber as dimensões e composições das células. 4. Pelas observações, basta utilizar um modelo euclidiano não-homogêneo para resolver o problema, sem precisar do modelo de Friedmann. 5. Explicação do universo aplicando a mesma física de plasma que vale para o laboratório. Bibliografia: 1. Alfvén, Hannes, Cosmic Plasma [cap. VI] (Dordrecht ; Boston : D. Reidel, c1981.) 2. Peebles, P.J.E. (Phillip James Edwin) - Principles of physical cosmology (Princeton (New Jersey) : Princeton University Press, c1993.)

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