Gli scienziati sono più vicini che mai a svelare un processo chiamato riconnessione magnetica che innesca fenomeni esplosivi in tutto l'universo. brillamenti solari, l'aurora boreale e le tempeste geomagnetiche che possono interrompere il servizio di telefonia cellulare e le reti elettriche oscuranti sono tutte innescate da linee di campo magnetico che convergono, rompere e riconnettersi violentemente in modi che non sono completamente compresi.
Ora i fisici Masaaki Yamada del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ed Ellen Zweibel dell'Università del Wisconsin-Madison hanno fornito una prospettiva importante su quattro problemi chiave nella riconnessione magnetica in un articolo pubblicato il 7 dicembre nel rivista britannica Atti della Royal Society A . La loro ricerca si concentra su come le linee di campo incorporate nel plasma, il caldo, gas carico composto da elettroni e nuclei atomici, o ioni, che costituisce il 99 percento dell'universo visibile, comportarsi come loro. I risultati sono rilevanti sia per l'astrofisica che per gli esperimenti di fusione controllata magneticamente, quale riconnessione può interrompere.
L'ampio, carta di 30 pagine, che il giornale ha invitato, migliora la comprensione di quattro enigmi profondi e di lunga data:
Yamada e Zweibel, vincitori del James Clerk Maxwell Prize in Plasma Physics nel 2015 e 2016, rispettivamente, adottare un approccio globale a questi problemi. Il premio, assegnato dall'American Physical Society Division of Plasma Physics, onora i loro contributi alla dinamica della riconnessione e all'astrofisica del plasma. Il loro articolo combina i dati raccolti dagli avvistamenti satellitari e dall'esperimento di riconnessione magnetica (MRX) al PPPL, insieme alla teoria e alla simulazione al computer, per fornire una visione dettagliata di questi processi sconcertanti.
Sul problema del tasso, gli autori notano che sono stati identificati due percorsi per la riconnessione rapida. Nel primo, la riconnessione veloce avviene quando gli elettroni magnetizzati e gli ioni smagnetizzati si comportano in modo diverso, provocando un fenomeno chiamato effetto Hall nello strato di riconnessione. Nel secondo, un processo chiamato instabilità plasmoide rompe sottili strati di corrente in isole magnetiche che producono una rapida riconnessione (vedi articolo correlato qui.) "Caratterizzare l'instabilità plasmoide in un grande plasma di laboratorio è un obiettivo per la ricerca futura, " scrivono gli autori.
C'è anche molto lavoro da fare sul problema del trigger, Zweibel e Yamada hanno notato. La formazione di un sottile foglio di corrente è stata a lungo ritenuta un prerequisito per una rapida riconnessione, loro scrivono. Però, distribuzione dell'energia che erutta nei brillamenti solari "è un'osservazione chiave che le teorie scatenanti devono spiegare, " affermano, e identificare la legge di potere dietro la distribuzione "rimane un obiettivo lontano ma importante". Nelle leggi di potere, una forma di energia varia come potenza di un'altra.
Per quanto riguarda il problema energetico, importanti progressi sono stati compiuti di recente, dicono gli autori. Gli esperimenti condotti sull'MRX al PPPL mostrano che la riconnessione converte circa il 50 percento dell'energia magnetica, con un terzo della conversione che accelera gli elettroni e due terzi che accelerano gli ioni nel plasma. "Questi risultati sollevano la questione se esista un principio universale per la ripartizione dell'energia convertita, un problema importante per la ricerca futura, " loro scrivono.
Una spiegazione del problema della scala, in cui minuscoli microprocessi producono grandi effetti globali, "rimane estremamente impegnativo, " affermano gli autori. Tuttavia, sono stati compiuti molti "progressi importanti". Mentre i trigger per la riconnessione sono per lo più globali, le fonti di conversione dell'energia possono essere globali o di piccola scala. Perciò, "la presenza di un continuum di scale accoppiate da microscopiche a macroscopiche può essere il percorso più probabile per una rapida riconnessione".
Andando avanti, gli autori scrivono che, "le prospettive di progresso futuro dipendono da continue innovazioni di successo nella metodologia. La combinazione di esperimenti di laboratorio, le misurazioni del plasma spaziale e le simulazioni numeriche si stanno dimostrando particolarmente efficaci." Tali sviluppi porteranno la ricerca futura a concentrarsi "sulle caratteristiche specializzate dei plasmi naturali in tutto l'universo".
