Estudos numéricos da viabilidade do dínamo de Tayler-Spruit em interiores estelares: o papel da rotação na instabilidade de Tayler
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Sílvia Helena Paixão Alencar
Wagner José Corradi Barbosa
Adriano Hoth Cerqueira
Erico Luiz Rempel
Fabio Del Sordo
Wagner José Corradi Barbosa
Adriano Hoth Cerqueira
Erico Luiz Rempel
Fabio Del Sordo
Resumo
A teoria do dínamo de campo médio tem sido amplamente empregada, ao longo de décadas,
no estudo da origem e manutenção de campos magnéticos estelares. De acordo com essa
teoria, o dínamo é sustentado por meio do cisalhamento entre camadas, relacionado ao
efeito-Ω, e por movimentos helicoidais induzidos pela turbulência, associados ao efeito-α.
Contudo, a aplicabilidade da teoria do dínamo de campo médio em estrelas com envelopes
radiativos, como as estrelas Ap/Bp, ou em regiões estáveis à convecção, como o interior
de estrelas do tipo solar, é limitada. Nesse cenário, surgem alternativas teóricas, como o
dínamo de Tayler-Spruit. Nessa abordagem, o efeito-α em zonas estáveis à convecção seria
desempenhado por instabilidades magneto-hidrodinâmicas, tais como a instabilidade de
Tayler, onde a energia é transferida entre diferentes componentes do campo magnético.
Na primeira parte deste trabalho, investigamos a evolução de um campo magnético
puramente toroidal e anti-simétrico em relação ao equador, confinado em uma zona estável
à convecção e, portanto, suscetível à instabilidade de Tayler. Utilizamos o código EULAG-
MHD para realizar simulações tridimensionais e não lineares de uma camada esférica
cuja estratificação se assemelha à da região estável à convecção localizada entre as zonas
radiativa e convectiva do Sol. Nosso foco principal foi examinar como a evolução desse
campo magnético é influenciada, a curto e longo prazo, pela rotação do modelo.
Os resultados indicam que a rotação tem a capacidade de estabilizar o campo magnético,
retardando o crescimento da instabilidade. No entanto, em todos os modelos estudados, os
campos magnéticos tornam-se eventualmente instáveis, perdendo sua topologia original e
posteriormente decaindo devido à difusão turbulenta. Durante esse processo, observamos
o surgimento de componentes significativas de campo poloidal, bem como de helicida-
des, tanto cinética quanto de corrente. Esses resultados corroboram a viabilidade da
instabilidade de Tayler em desempenhar o papel do efeito-α no dínamo de Tayler-Spruit.
Na segunda parte deste trabalho realizamos o acoplamento entre os códigos EULAG-MHD
e Pencil Code. Esse acoplamento nos permitiu aplicar o método de campos de teste
(TFM), implementado no código Pencil, para calcular os coeficientes do dínamo em uma
simulação teste realizada com o código EULAG-MHD. O desenvolvimento do código que
permite o acoplamento foi concluído satisfatoriamente, e os resultados obtidos foram
consistentes com estudos anteriores que utilizaram modelos semelhantes. Essa ferramenta
abre a possibilidade de explorar, com maior profundidade, os mecanismos físicos que
participam em processos instáveis, incluindo o mecanismo dínamo, em simulações de
diferentes tipos realizadas com EULAG-MHD.
Abstract
The mean-field dynamo theory has been employed for decades in the study of the origin and
maintenance of stellar magnetic fields. According to this theory, the dynamo is sustained
through the shear between layers, related to the Ω-effect, and by helical motions induced
by turbulence, associated with the α-effect. However, the applicability of the mean-field
dynamo theory to stars with radiative envelopes, such as Ap/Bp stars, or to convectively
stable regions, like the interior of solar-type stars, is limited. In this context, alternative
theories such as the Tayler-Spruit dynamo emerge. In this approach, the α-effect in
convectively stable zones would be driven by magnetohydrodynamic instabilities, such as
the Tayler instability, where energy is transferred between different components of the
magnetic field.
In the first part of this work, we investigate the evolution of a purely toroidal magnetic field
that is anti-symmetric with respect to the equator, confined in a convectively stable zone
and, therefore, prone to Tayler instability. We used the EULAG-MHD code to perform
non-linear three-dimensional simulations of a spherical layer whose stratification resembles
that of the stable region located between the radiative and convective zones of the Sun.
Our main focus was to examine how the evolution of this magnetic field is influenced, both
in the short and long term, by the rotation rate of the model.
The results indicate that rotation has the capacity to stabilize the magnetic field, delaying
the growth of the instability. However, in all the models studied, the magnetic fields
eventually become unstable, losing their original topology and later decaying due to
turbulent diffusion. During this process, we observed the emergence of significant poloidal
field components, as well as helicities, both kinetic and current. These results support
the viability of Tayler instability in playing the role of the α-effect in the Tayler-Spruit
dynamo.
In the second part of this work, we coupled the EULAG-MHD and Pencil Code. This
coupling allowed us to apply the test-field method (TFM), implemented in the Pencil Code,
to calculate the dynamo coefficients in a test simulation performed with the EULAG-MHD
code. The development of the code that enables this coupling was completed successfully
, and the results obtained were consistent with previous studies using similar models.
This tool opens up the possibility of exploring, in greater depth, the physical mechanisms
involved in unstable processes, including the dynamo mechanism, in various simulations
conducted with EULAG-MHD.
Assunto
Campo magnético, Estrelas, Simulação
Palavras-chave
Campo magnético, Estrelas, Simulação
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