Ogni giorno, il sole espelle grandi quantità di una zuppa di particelle calda nota come plasma verso la Terra, dove può interrompere i satelliti per le telecomunicazioni e danneggiare le reti elettriche. Ora, gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e del Dipartimento di Scienze Astrofisiche dell'Università di Princeton hanno fatto una scoperta che potrebbe portare a migliori previsioni di questo tempo spaziale e aiutare a salvaguardare le infrastrutture sensibili.

La scoperta arriva da un nuovo modello al computer che prevede il comportamento del plasma nella regione sopra la superficie del sole nota come corona solare. Il modello è stato originariamente ispirato da un modello simile che descrive il comportamento del plasma che alimenta le reazioni di fusione in impianti di fusione a forma di ciambella noti come tokamak.

Fusione, la forza che guida il sole e le stelle, combina elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, che genera enormi quantità di energia. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia per generare elettricità.

Gli scienziati di Princeton hanno fatto le loro scoperte mentre studiavano i campi magnetici collegati tra loro che entrano ed escono dal sole. A determinate condizioni, i cappi possono causare l'eruzione di particelle calde dalla superficie del sole in enormi rutti noti come espulsioni di massa coronale. Quelle particelle possono eventualmente colpire il campo magnetico che circonda la Terra e causare aurore, nonché interferire con i sistemi elettrici e di comunicazione.

"Dobbiamo capire le cause di queste eruzioni per prevedere il tempo spaziale, " ha detto Andrea Alt, uno studente laureato al Princeton Program in Plasma Physics presso PPPL e autore principale dell'articolo che riporta i risultati nel Giornale Astrofisico .

Il modello si basa su un nuovo metodo matematico che incorpora una nuova intuizione che Alt e collaboratori hanno scoperto su ciò che causa l'instabilità. Gli scienziati hanno scoperto che un tipo di oscillazione noto come "instabilità del toro" potrebbe causare la separazione di campi magnetici collegati dalla superficie del sole, innescando un flusso di plasma.

L'instabilità del toro allenta alcune delle forze che tengono legate le corde. Una volta che quelle forze si indeboliscono, un'altra forza fa sì che le funi si espandano e si sollevino ulteriormente dalla superficie solare. "La capacità del nostro modello di prevedere con precisione il comportamento delle corde magnetiche indica che il nostro metodo potrebbe essere utilizzato per migliorare la previsione del tempo spaziale, " ha detto Alt.

Gli scienziati hanno anche sviluppato un modo per tradurre in modo più accurato i risultati di laboratorio in condizioni del sole. I modelli passati si basavano su ipotesi che rendevano i calcoli più semplici ma non sempre simulavano il plasma con precisione. La nuova tecnica si basa solo su dati grezzi. "Le ipotesi incorporate nei modelli precedenti rimuovono importanti effetti fisici che vogliamo considerare, " Alt ha detto. "Senza questi presupposti, possiamo fare previsioni più accurate".

Per condurre le loro ricerche, gli scienziati hanno creato corde di flusso magnetico all'interno dell'esperimento di riconnessione magnetica (MRX) di PPPL, una macchina a forma di botte progettata per studiare l'unione e la rottura esplosiva delle linee del campo magnetico nel plasma. Ma le corde di flusso create in laboratorio si comportano diversamente dalle corde sul sole, da, Per esempio, le funi di flusso in laboratorio devono essere contenute in un recipiente metallico.

I ricercatori hanno apportato modifiche ai loro strumenti matematici per tenere conto di queste differenze, assicurando che i risultati di MRX possano essere trasferiti al sole. "Ci sono condizioni sul sole che non possiamo imitare in laboratorio, " ha detto il fisico PPPL Hantao Ji, un professore dell'Università di Princeton che consiglia Alt e ha contribuito alla ricerca. "Così, aggiustiamo le nostre equazioni per tenere conto dell'assenza o della presenza di determinate proprietà fisiche. Dobbiamo assicurarci che la nostra ricerca confronti le mele con le mele in modo che i nostri risultati siano accurati".

La scoperta del comportamento del plasma oscillante potrebbe anche portare a una generazione più efficiente di elettricità alimentata dalla fusione. La riconnessione magnetica e il relativo comportamento del plasma si verificano nei tokamak e nel sole, quindi qualsiasi conoscenza di questi processi potrebbe aiutare gli scienziati a controllarli in futuro.

Il supporto per questa ricerca è venuto dal DOE, l'Amministrazione Nazionale dell'Aeronautica e dello Spazio, e la Fondazione tedesca per la ricerca. I partner di ricerca includono l'Università di Princeton, Laboratori Nazionali Sandia, l'Università di Potsdam, il Centro di Astrofisica di Harvard-Smithsonian, e l'Accademia bulgara delle scienze.

PPPL, al Forrestal Campus della Princeton University a Plainsboro, NJ, è dedicato alla creazione di nuove conoscenze sulla fisica dei plasmi:ultra-caldi, gas carichi e allo sviluppo di soluzioni pratiche per la creazione di energia da fusione. Il Laboratorio è gestito dall'Office of Science dell'Università per l'U.S. Department of Energy, che è il singolo più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni, visita energy.gov/science