Il ricercatore senior Chikang Li vuole sperimentare con le stelle. Incuriosito da un curioso fenomeno di "kink" osservato nella Nebulosa del Granchio, una nube interstellare di gas e polvere formatasi in seguito all'esplosione di una supernova, ha cercato risposte. Le immagini dell'osservatorio a raggi X Chandra mostrano che un getto di plasma che fuoriesce direttamente dalla stella di neutroni al centro della nebulosa sembra cambiare direzione ogni pochi anni, senza modificarne la struttura. Come mai? Gli scienziati hanno ipotizzato che campi magnetici con le giuste proprietà potrebbero spiegare questo comportamento, ma Li voleva una prova.

"Come si progetta un esperimento sulla Terra per spiegare i misteri che stanno accadendo 6, 500 anni luce di distanza, e si estende per oltre 13 anni luce di spazio?", chiede. "L'astrofisica tradizionale si basa sull'osservazione. In genere dopo aver fatto un'osservazione, costruisci un modello teorico, fai delle simulazioni numeriche. Ma questo è tutto. Come puoi andare lì e misurare qualcosa? Come puoi fare un esperimento per testare questo modello?"

Li ha fatto parte del Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT da quando è diventato uno studente laureato nel 1987. In qualità di co-fondatore e capo associato della divisione di fisica ad alta densità energetica (HEDP) del PSFC, Li ha collaborato regolarmente con la National Ignition Facility e il Laboratory for Laser Energetics dell'Università di Rochester sulla fusione a confinamento inerziale e sugli esperimenti di laboratorio-astrofisica. Ha deciso di vedere se poteva usare anche il laser OMEGA del laboratorio per imitare le condizioni nella Nebulosa del Granchio, e dimostrare l'ipotesi che i campi magnetici fossero responsabili del "kink in the crab".

Invece di addestrare i molteplici raggi laser di OMEGA su un singolo pellet di idrogeno, come farebbe per un esperimento di fusione, Li ha fatto rimbalzare i laser su due lamine da 3 x 3 mm incernierate insieme con un angolo di 60 gradi. Usando due raggi laser per riscaldare ogni lato, ha generato bolle di plasma, o pennacchi. Li sapeva che perché sono molto densi e caldi, questi pennacchi si espanderebbero immediatamente, collidendo nel piano medio tra le due lamine per formare un getto.

Li osserva che anche se i getti generati in laboratorio e i getti astrofisici hanno scale di grandezza molto diverse, la fisica fondamentale può essere la stessa perché i parametri critici adimensionali sono simili. Di conseguenza, condividono proprietà fisiche sufficienti per consentire a Li di scalare i suoi esperimenti di laboratorio, come si farebbe da una galleria del vento a un aeroplano, alle condizioni nella nebulosa del granchio.

Mentre il nodo nel getto della nebulosa si verifica in un periodo di pochi anni, l'esperimento di laboratorio crea un getto in un nanosecondo (miliardesimo di secondo), che poi si propaga per 5-6 nanosecondi. Li ride mentre considera la velocità degli esperimenti:"Devi generare quello, diagnosticare che, caratterizzare che, quantificalo in questo periodo di tempo!"

Per misurare i campi magnetici generati dall'esperimento, Li ha utilizzato una diagnostica con radiografia protonica monoenergetica (MPR) inventata dalla sua divisione nel 2005, permettendogli, attraverso la deflessione dei protoni, fare una radiografia dei campi. Con le misurazioni quantitative alla mano, è stato in grado di dimostrare che il comportamento del getto della nebulosa è governato da deboli campi magnetici lungo il getto, che mantengono la sua struttura in gran parte diritta, e altri campi magnetici che circondano il getto, che creano l'instabilità responsabile del cambio di direzione. I risultati sono stati recentemente pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Il capo della divisione HEDP Richard Petrasso ha notato l'importanza del lavoro di Li:"Grazie alla sua comprensione delle instabilità e allo sviluppo della diagnostica MPR per mappare i campi magnetici transitori in laboratorio, Chikang è stato in grado di esplorare e spiegare, per la prima volta, fenomeni così sconcertanti come il getto nella Nebulosa del Granchio."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.