L'universo è altamente magnetico, con tutto, dalle stelle ai pianeti alle galassie che producono i propri campi magnetici. Gli astrofisici sono rimasti a lungo perplessi su questi campi sorprendentemente forti e longevi, con teorie e simulazioni alla ricerca di un meccanismo che spieghi la loro generazione.

Utilizzando una delle strutture laser più potenti al mondo, un team guidato da scienziati dell'Università di Chicago ha confermato sperimentalmente una delle teorie più popolari per la generazione del campo magnetico cosmico:la dinamo turbolenta. Creando un plasma turbolento caldo delle dimensioni di un centesimo, che dura pochi miliardesimi di secondo, i ricercatori hanno registrato come i movimenti turbolenti possono amplificare un debole campo magnetico alla forza di quelli osservati nel nostro sole, stelle lontane, e galassie.

La carta, pubblicato questa settimana in Comunicazioni sulla natura , è la prima dimostrazione di laboratorio di una teoria, spiegando il campo magnetico di numerosi corpi cosmici, dibattuto dai fisici per quasi un secolo. Utilizzando il codice di simulazione fisica FLASH, sviluppato dal Flash Center for Computational Science di UChicago, i ricercatori hanno progettato un esperimento condotto presso l'OMEGA Laser Facility di Rochester, NY per ricreare condizioni dinamo turbolente.

Confermando decenni di simulazioni numeriche, l'esperimento ha rivelato che il plasma turbolento potrebbe aumentare drasticamente un debole campo magnetico fino alla magnitudine osservata dagli astronomi nelle stelle e nelle galassie.

"Ora sappiamo per certo che esiste una dinamo turbolenta, e che è uno dei meccanismi che possono effettivamente spiegare la magnetizzazione dell'universo, " disse Petros Tzeferacos, professore assistente di ricerca di astronomia e astrofisica e direttore associato del Flash Center. "Questo è qualcosa che speravamo di sapere, ma ora lo facciamo".

Una dinamo meccanica produce una corrente elettrica ruotando le bobine attraverso un campo magnetico. In astrofisica, La teoria della dinamo propone il contrario:il movimento di un fluido conduttore di elettricità crea e mantiene un campo magnetico. All'inizio del XX secolo, il fisico Joseph Larmor propose che un tale meccanismo potesse spiegare il magnetismo della Terra e del Sole, decenni ispiratori di dibattiti e ricerche scientifiche.

Mentre le simulazioni numeriche hanno dimostrato che il plasma turbolento può generare campi magnetici sulla scala di quelli osservati nelle stelle, pianeti, e galassie, creare una dinamo turbolenta in laboratorio era molto più difficile. Confermare la teoria richiede la produzione di plasma a temperatura e volatilità estremamente elevate per produrre la turbolenza sufficiente per piegare, allungare e amplificare il campo magnetico.

Per progettare un esperimento che crei tali condizioni, Tzeferacos e colleghi della UChicago e dell'Università di Oxford hanno eseguito centinaia di simulazioni bidimensionali e tridimensionali con FLASH sul supercomputer Mira dell'Argonne National Laboratory. La configurazione finale prevedeva la esplosione di due pezzi di pellicola delle dimensioni di un centesimo con potenti laser, spingendo due getti di plasma attraverso le griglie e in collisione l'uno con l'altro, creando un movimento fluido turbolento.

"La gente ha sognato a lungo di fare questo esperimento con i laser, ma ci è voluta davvero l'ingegnosità di questa squadra per farlo accadere, " ha detto Donald Lamb, il Robert A. Millikan Distinguished Service Professor emerito in Astronomia e Astrofisica e direttore del Flash Center. "Questo è un enorme passo avanti".

Il team ha anche utilizzato simulazioni FLASH per sviluppare due metodi indipendenti per misurare il campo magnetico prodotto dal plasma:radiografia protonica, oggetto di un recente documento del gruppo FLASH, e luce polarizzata, basato su come gli astronomi misurano i campi magnetici di oggetti distanti. Entrambe le misurazioni hanno tracciato la crescita in pochi nanosecondi del campo magnetico dal suo stato iniziale debole a oltre 100 kiloGauss, più forte di uno scanner MRI ad alta risoluzione e un milione di volte più forte del campo magnetico terrestre.

"Questo lavoro apre l'opportunità di verificare sperimentalmente idee e concetti sull'origine dei campi magnetici nell'universo che sono stati proposti e studiati teoricamente per la parte migliore di un secolo, " disse Fausto Cattaneo, Professore di Astronomia e Astrofisica presso l'Università di Chicago e coautore dell'articolo.

Ora che in laboratorio è possibile creare una dinamo turbolenta, gli scienziati possono esplorare domande più profonde sulla sua funzione:quanto velocemente il campo magnetico aumenta di intensità? Quanto può diventare forte il campo? In che modo il campo magnetico altera la turbolenza che lo ha amplificato?

"Una cosa è avere teorie ben sviluppate, ma è un'altra cosa dimostrarlo davvero in un ambiente di laboratorio controllato dove puoi fare tutti questi tipi di misurazioni su quello che sta succedendo, " Agnello ha detto. "Ora che possiamo farlo, possiamo colpirlo e sondarlo."