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Per decenni, gli scienziati hanno cercato di risolvere un fastidioso problema riguardante il tempo nello spazio esterno:in momenti imprevedibili, particelle ad alta energia bombardano la Terra e gli oggetti al di fuori dell'atmosfera terrestre con radiazioni che possono mettere in pericolo la vita degli astronauti e distruggere l'elettronica dei satelliti attrezzatura. Queste riacutizzazioni possono persino innescare piogge di radiazioni abbastanza forti da raggiungere i passeggeri degli aeroplani che sorvolano il Polo Nord. Nonostante i migliori sforzi degli scienziati, un modello chiaro di come e quando si verificheranno le riacutizzazioni è rimasto perennemente difficile da identificare.
Questa settimana, in un articolo su The Astrophysical Journal Letters , gli autori Luca Comisso e Lorenzo Sironi del Dipartimento di Astronomia e del Laboratorio di Astrofisica della Columbia, hanno utilizzato i supercomputer per simulare quando e come nascono particelle ad alta energia in ambienti turbolenti come quello dell'atmosfera solare. Questa nuova ricerca apre la strada a previsioni più accurate su quando si verificheranno esplosioni pericolose di queste particelle.
"Questa nuova entusiasmante ricerca ci consentirà di prevedere meglio l'origine delle particelle energetiche solari e migliorare i modelli di previsione degli eventi meteorologici spaziali, un obiettivo chiave della NASA e di altre agenzie spaziali e governi di tutto il mondo", ha affermato Comisso. Entro i prossimi due anni, ha aggiunto, la Parker Solar Probe della NASA, il veicolo spaziale più vicino al sole, potrebbe essere in grado di convalidare i risultati del documento osservando direttamente la distribuzione prevista di particelle ad alta energia generate nell'atmosfera esterna del sole.
Nel loro articolo, "Ion and Electron Acceleration in Fully Kinetic Plasma Turbulence", Comisso e Sironi dimostrano che i campi magnetici nell'atmosfera esterna del sole possono accelerare ioni ed elettroni fino a velocità vicine alla velocità della luce. L'atmosfera esterna del sole e di altre stelle è costituita da particelle allo stato di plasma, uno stato altamente turbolento distinto dagli stati liquido, gassoso e solido. Gli scienziati credono da tempo che il plasma solare generi particelle ad alta energia. Ma le particelle nel plasma si muovono in modo così irregolare e imprevedibile che fino ad ora non sono state in grado di dimostrare completamente come e quando ciò avvenga.
Utilizzando i supercomputer della Columbia, della NASA e del National Energy Research Scientific Computing Center, Comisso e Sironi hanno creato simulazioni al computer che mostrano i movimenti esatti di elettroni e ioni nel plasma solare. Queste simulazioni imitano le condizioni atmosferiche del sole e forniscono i dati più estesi finora raccolti su come e quando si formeranno particelle ad alta energia.
La ricerca fornisce risposte a domande che gli scienziati indagano da almeno 70 anni:nel 1949 il fisico Enrico Fermi iniziò a studiare i campi magnetici nello spazio esterno come potenziale fonte delle particelle ad alta energia (che chiamò raggi cosmici) che sono stati osservati entrare nell'atmosfera terrestre. Da allora, gli scienziati hanno sospettato che il plasma solare sia una delle principali fonti di queste particelle, ma dimostrarlo definitivamente è stato difficile.
La ricerca di Comisso e Sironi, condotta con il supporto della NASA e della National Science Foundation, ha implicazioni ben oltre il nostro sistema solare. La stragrande maggioranza della materia osservabile nell'universo è allo stato plasma. Comprendere come alcune delle particelle che costituiscono il plasma possono essere accelerate a livelli di energia elevati è una nuova importante area di ricerca poiché le particelle energetiche vengono osservate di routine non solo intorno al sole ma anche in altri ambienti dell'universo, compresi i dintorni di buchi neri e stelle di neutroni.
Mentre il nuovo articolo di Comisso e Sironi si concentra sul sole, ulteriori simulazioni potrebbero essere eseguite in altri contesti per capire come e quando stelle lontane, buchi neri e altre entità nell'universo genereranno le proprie esplosioni di energia.
"I nostri risultati sono incentrati sul sole, ma possono anche essere visti come un punto di partenza per comprendere meglio come vengono prodotte particelle ad alta energia in stelle più lontane e attorno ai buchi neri", ha affermato Comisso. "Abbiamo solo scalfito la superficie di ciò che le simulazioni di supercomputer possono dirci su come queste particelle sono nate nell'universo". + Esplora ulteriormente
