Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Princeton University hanno proposto una soluzione rivoluzionaria a un mistero che ha sconcertato i fisici per decenni. Il problema è come la riconnessione magnetica, un processo universale che innesca brillamenti solari, aurora boreale e lampi di raggi gamma cosmici, si verifica molto più velocemente di quanto la teoria dice che dovrebbe essere possibile. La risposta potrebbe aiutare le previsioni di tempeste spaziali, spiegare diversi fenomeni astrofisici ad alta energia, e migliorare il confinamento del plasma in dispositivi magnetici a forma di ciambella chiamati tokamak progettati per ottenere energia dalla fusione nucleare.

La riconnessione magnetica avviene quando le linee del campo magnetico incorporate in un plasma, il caldo, gas carico che costituisce il 99% dell'universo visibile:convergere, spezzarsi e riconnettersi in modo esplosivo. Questo processo avviene in fogli sottili in cui la corrente elettrica è fortemente concentrata.

Secondo la teoria convenzionale, questi fogli possono essere molto allungati e vincolare fortemente la velocità delle linee del campo magnetico che si uniscono e si dividono, rendendo impossibile la riconnessione rapida. Però, l'osservazione mostra che esiste una riconnessione rapida, in contraddizione diretta con le previsioni teoriche.

Teoria dettagliata per una rapida riconnessione

Ora, i fisici del PPPL e dell'Università di Princeton hanno presentato una teoria dettagliata del meccanismo che porta alla riconnessione rapida. La loro carta, pubblicato sulla rivista Fisica dei Plasmi in ottobre, si concentra su un fenomeno chiamato "instabilità plasmoide" per spiegare l'inizio del processo di riconnessione rapida. Il supporto per questa ricerca viene dalla National Science Foundation e dal DOE Office of Science.

Instabilità plasmoide, che rompe i fogli di corrente di plasma in piccole isole magnetiche chiamate plasmoidi, ha suscitato un notevole interesse negli ultimi anni come possibile meccanismo di riconnessione rapida. Però, la corretta identificazione delle proprietà dell'instabilità è stata elusiva.

L'articolo sulla fisica dei plasmi affronta questo problema cruciale. Presenta "una teoria quantitativa per lo sviluppo dell'instabilità plasmoide nei fogli di corrente di plasma che può evolvere nel tempo" ha affermato Luca Comisso, autore principale dello studio. I coautori sono Manasvi Lingam e Yi-Ming Huang di PPPL e Princeton, e Amitava Bhattacharjee, capo del dipartimento di teoria al PPPL e professore di scienze astrofisiche a Princeton.

Il principio di Pierre de Fermat

L'articolo descrive come l'instabilità del plasmoide inizi in una lenta fase lineare che attraversa un periodo di quiescenza prima di accelerare in una fase esplosiva che innesca un drammatico aumento della velocità di riconnessione magnetica. Per determinare le caratteristiche più importanti di questa instabilità, i ricercatori hanno adattato una variante del "principio del tempo minimo" del XVII secolo ideato dal matematico Pierre de Fermat.

L'uso di questo principio ha permesso ai ricercatori di derivare equazioni per la durata della fase lineare, e per calcolare il tasso di crescita e il numero di plasmoidi creati. Quindi, questo approccio a tempo minimo ha portato a una formula quantitativa per il tempo di inizio della riconnessione magnetica veloce e la fisica dietro di essa.

Il giornale ha anche prodotto una sorpresa. Gli autori hanno scoperto che tali relazioni non riflettono le tradizionali leggi di potere, in cui una quantità varia come potenza di un'altra. "È comune in tutti i campi della scienza cercare l'esistenza di leggi di potere, " hanno scritto i ricercatori. "Al contrario, scopriamo che le relazioni di scala dell'instabilità plasmoide non sono vere leggi di potenza - un risultato che non è mai stato derivato o previsto prima."