I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno osservato per la prima volta direttamente un fenomeno che in precedenza era stato solo ipotizzato esistesse. Il fenomeno, instabilità plasmoidi che si verificano durante la riconnessione magnetica collisionale, fino a quest'anno era stato osservato solo indirettamente utilizzando la tecnologia di telerilevamento. In un articolo pubblicato nel numero di agosto 2016 di Lettere di revisione fisica , I fisici PPPL riferiscono di aver creato il fenomeno in un ambiente di laboratorio dove potevano misurarlo direttamente e confermare la sua esistenza su scala elettronica, che descrive la gamma di movimento degli elettroni e la velocità con cui si muovono. Questa ricerca è stata finanziata sia dall'Office of Science del DOE che dalla divisione di eliofisica della NASA.

Le instabilità plasmoidi creano bolle magnetiche all'interno del plasma, gas supercaldo i cui atomi si sono separati in elettroni e nuclei atomici. Le bolle magnetiche quindi causano una rapida riconnessione magnetica, quando le linee del campo magnetico di un plasma si rompono e si uniscono di nuovo, rilasciando grandi quantità di energia. Prima di adesso, i fisici della NASA e di altre istituzioni erano stati solo in grado di confermare direttamente l'esistenza di queste instabilità nei plasmi senza collisioni, come quelli che circondano la Terra nell'alta atmosfera, in cui le particelle di plasma non si scontrano spesso.

Gli scienziati non erano stati in grado di confermare l'esistenza di instabilità plasmoidi nei plasmi collisionali, in cui le particelle si scontrano frequentemente, perché tali plasmi si verificano nello spazio esterno, lontano dalla Terra. I plasmi di collisione come quelli sulla superficie delle stelle sono così lontani che gli scienziati hanno difficoltà a misurarli direttamente. Ma i fisici del Massachusetts Institute of Technology e altrove avevano previsto la loro esistenza anni fa.

Gli scienziati hanno ottenuto, però, prove indirette di instabilità plasmoide nello spazio. Utilizzando telescopi e spettroscopi, così come strutture di fusione come l'ex dispositivo di punta di PPPL noto come National Spherical Torus Experiment (NSTX), che da allora è stato aggiornato, gli scienziati hanno scattato fotografie e analizzato la luce che suggeriva l'esistenza delle instabilità. Ma senza misurazioni dirette, non sono stati in grado di confermare l'esistenza delle instabilità.

"Questi risultati sono significativi perché i dati raccolti in precedenti esperimenti di riconnessione magnetica che coinvolgono plasma senza collisioni non si applicano al grande, plasmi di collisione trovati in tutto lo spazio, " disse Hantao Ji, un professore presso il Dipartimento di Scienze Astrofisiche dell'Università di Princeton, illustre collega presso PPPL, e coautore del paper. "Gli scienziati hanno a lungo avuto difficoltà a studiare questi plasmi perché è difficile creare le condizioni necessarie sulla Terra, e non possiamo semplicemente infilare le sonde direttamente nelle stelle. Ora diamo uno sguardo al loro funzionamento".

Durante la ricerca, l'autore principale e studente laureato Jonathan Jara-Almonte e il team hanno utilizzato un dispositivo PPPL noto come esperimento di riconnessione magnetica (MRX). A differenza degli esperimenti precedenti, Jara-Almonte e il suo team hanno usato un plasma fatto di atomi di argon, piuttosto che idrogeno, deuterio o elio. Usando l'argon, hanno trovato, ha permesso loro di produrre più facilmente le condizioni per la riconnessione collisionale all'interno del plasma.

Oltre a confermare l'esistenza di instabilità plasmoidi nei plasmi collisionali sottoposti a riconnessione, la ricerca ha mostrato che le instabilità possono sorgere anche quando un plasma non conduce bene l'elettricità, una condizione nota come un basso numero di Lundquist che gli scienziati pensavano avrebbe ostacolato lo sviluppo del plasmoide. Questa è stata una scoperta sorprendente, poiché gli scienziati hanno da tempo previsto che i plasmoidi si formerebbero solo quando un plasma conduce bene l'elettricità.

"Il quadro più ampio è che questi risultati sollevano alcune domande sulla teoria dell'instabilità plasmoide a cui non è stata ancora data risposta, " ha detto Jara-Almonte. "I risultati sollevano interrogativi su ciò che sta realmente accadendo in altri sistemi".

L'esperimento MRX ha anche confermato che i plasmoidi accelerano la velocità con cui si verifica la riconnessione, la prima volta che l'effetto è stato osservato in un ambiente di collisione. Capire quanto velocemente avviene la riconnessione è importante perché può influenzare la Terra in modi drammatici. Quando la riconnessione avviene sulla superficie del sole, enormi bolle di plasma sparano nello spazio e possono scontrarsi con il campo magnetico terrestre, creando tempeste geomagnetiche che minacciano i satelliti di comunicazione e le reti elettriche.