Nel luglio 2012, una potente tempesta solare ha quasi colpito la Terra. Gli scienziati stimano che ha avuto la tempesta, chiamata espulsione di massa coronale (CME), colpire il pianeta, l'impatto avrebbe paralizzato le reti elettriche in tutto il mondo, bruciare trasformatori e strumenti.

Una sonda della NASA che si trovava nel percorso della CME ha rilevato alcune delle particelle cariche che conteneva. I dati raccolti dal satellite hanno mostrato che la tempesta era due volte più potente di un evento del 1989 che ha messo fuori uso l'intera rete elettrica del Quebec, ha interrotto l'erogazione di energia negli Stati Uniti e ha reso visibile l'aurora boreale fino a Cuba. Infatti, la recente tempesta potrebbe essere stata più forte della prima e più potente CME nota per aver colpito il pianeta, l'evento di Carrington. Quella tempesta del 1859 sprizzò scintille dalle linee telegrafiche, incendiando le stazioni telegrafiche. I ricercatori stimano al 12% le probabilità che un CME delle dimensioni di Carrington si verifichi entro il 2024 - e forse colpirà la Terra.

Tali eventi si verificano quando le linee di campo nel massiccio sistema magnetico del sole si spezzano e si riconnettono. "I campi magnetici sono un serbatoio di un'enorme quantità di energia, e si verificano grandi eventi eruttivi in ​​cui questa energia viene liberata, "dice Amitava Bhattacharjee, un fisico del plasma presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), una struttura del Dipartimento dell'Energia a Princeton, New Jersey. "Le particelle cariche tendono a legarsi alle linee del campo magnetico come perline su un filo:quando il filo si rompe, le perline vengono espulse a velocità enormi."

Il fenomeno, noto come riconnessione magnetica veloce, resta un mistero. Nessuno sa come le linee di campo si rompano e si ricongiungano abbastanza velocemente da espellere i miliardi di tonnellate di materiale liberato in un CME, o anche nelle più piccole eruzioni di comuni brillamenti solari. In esperimenti e simulazioni di laboratorio, Bhattacharjee e i suoi colleghi hanno rivelato nuovi meccanismi che aiutano a spiegare la rapida riconnessione magnetica.

Bhattacharjee ha perseguito tali meccanismi sin dalla scuola di specializzazione, quando si rese conto che la fisica del plasma è "una bella, campo classico con meravigliose equazioni che erano buone cose da analizzare e con cui fare simulazioni al computer, " dice. Allo stesso tempo, vide che i plasmi - che costituiscono il 99,5% dell'universo visibile - sono anche la chiave per "un problema molto pratico e importante per l'umanità, vale a dire l'energia di fusione magnetica."

Per decenni, macchine per la fusione nucleare, come i tokamak a forma di ciambella, hanno promesso una fornitura praticamente illimitata di energia relativamente pulita. Ma un dispositivo di fusione funzionante è ancora fuori portata, in parte a causa della rapida riconnessione magnetica. "I reattori a fusione magnetica contengono campi magnetici, e questi campi magnetici possono anche riconnettersi e causare instabilità dirompenti all'interno di un plasma di fusione tokamak, "dice Bhattacharjee, professore di scienze astrofisiche all'Università di Princeton e capo della Divisione Teoria e Calcolo del PPPL.

Nel modello attuale di riconnessione, i campi magnetici opposti sono spinti insieme da una forza esterna, come le correnti di plasma. Un sottile, si forma un'area di contatto piatta tra i due campi, costruire tensione nelle linee di campo. In questa sottile regione, chiamato foglio corrente, particelle di plasma – ioni ed elettroni – si scontrano tra loro, rompendo le linee del campo e permettendo loro di formare nuovi, connessioni a bassa energia con partner del campo magnetico opposto. Ma sotto questo modello, le linee si riconnettono solo alla velocità con cui vengono spinte nel foglio corrente, non abbastanza velocemente da spiegare l'enorme effusione di energia e particelle in un evento di riconnessione rapida.

Poiché questo modello di riconnessione lenta dipende dalle collisioni di particelle di plasma, molti gruppi di ricerca hanno cercato effetti senza collisioni che potrebbero spiegare una rapida riconnessione. Spiegazioni promettenti si concentrano sul comportamento delle particelle cariche nel foglio corrente, dove l'intensità del campo è prossima allo zero. Là, le proprietà caricate del massiccio, gli ioni pigri vengono soppressi, e gli agili elettroni sono liberi di trasportare la corrente e le linee di campo a frusta in nuove configurazioni.

Per esperimenti di laboratorio su meccanismi nascosti, Il team di Bhattacharjee utilizza potenti laser presso la struttura Omega dell'Università di Rochester. Per sviluppare modelli informatici, il gruppo usa Titan, un supercomputer Cray XK7 presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura utente DOE Office of Science, attraverso il programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) dell'Office of Science. Il programma Fusion Energy Sciences dell'Office of Science e la DOE National Nuclear Security Administration sponsorizzano gli esperimenti.

In un primo esperimento condotto dal fisico ricercatore PPPL Will Fox, il team ha puntato due intensi laser Omega su materiali che producono bolle di plasma sotto i raggi. Ogni bolla generava spontaneamente il proprio campo magnetico attraverso un effetto noto come batteria di Biermann. Come accade nel sole e nei dispositivi di fusione nucleare, particelle di plasma cariche allineate sulle linee del campo magnetico. Le bolle si sono avventate l'una nell'altra, e un foglio corrente formato tra di loro. Il tasso di riconnessione tra i campi era veloce, troppo veloce per la teoria classica.

"È qui che abbiamo stabilito per la prima volta il meccanismo sottostante per la riconnessione che avviene in questa macchina, " dice Bhattacharjee. Il team ora aveva un modello per la riconnessione magnetica veloce, uno applicabile a precedenti esperimenti pionieristici condotti da gruppi nel Regno Unito e negli Stati Uniti. Una simulazione su Titano ha mostrato che più linee di campo erano stipate insieme nel foglio corrente di quanto chiunque avesse realizzato, un fenomeno chiamato pile-up di flusso. Lo studio ha dimostrato che, oltre agli effetti senza collisioni precedentemente suggeriti, pileup di flusso svolge un ruolo nella riconnessione rapida.

In esperimenti successivi condotti da Gennady Fiksel, ora all'Università del Michigan, il team non voleva fare affidamento esclusivamente su campi magnetici generati spontaneamente. "Sentivamo di aver bisogno di un maggiore controllo sui campi magnetici che stavamo usando per il processo di riconnessione, " Bhattacharjee dice. "E così abbiamo usato un generatore esterno chiamato MIFEDS (sistema di scarica elettrica a fusione magneto-inerziale), che produceva campi magnetici esterni che potevamo controllare."

Per acquisire le modifiche in questo campo, la squadra ha riempito lo spazio con un sottile plasma di sfondo, generato da un terzo laser, e l'ho ripreso usando un raggio di protoni, che i campi magnetici deviano. Quando due bolle di plasma colpiscono il campo magnetico esterno, il team ha creato l'immagine più chiara finora degli eventi che si svolgono nella regione in cui le linee di campo si riconnettono. La nuova configurazione ha anche mostrato pileup di flusso, seguito da un evento di riconnessione che includeva piccole bolle di plasma che si formavano nella regione tra le bolle e, finalmente, improvviso annientamento del campo magnetico.

"Il meccanismo che abbiamo scoperto è che si forma questo sottile foglio di corrente che può quindi essere instabile, in quella che chiamiamo instabilità plasmoide che rompe questo sottile foglio di corrente in piccole bolle magnetiche, " Bhattacharjee dice. "L'instabilità plasmoide è un nuovo meccanismo per l'inizio della riconnessione rapida, che avviene su una scala temporale che è indipendente dalla resistenza del plasma."

Bhattacharjee e i suoi colleghi stanno lavorando per capire come la loro scoperta si inserisca nel quadro generale dell'attività solare, tempeste solari e dispositivi di fusione nucleare. Una volta che loro e la più ampia comunità di fisici del plasma comprendono appieno la riconnessione, la capacità di prevedere le CME e domare alcune delle instabilità del plasma all'interno dei reattori tokamak, Per esempio, potrebbe essere a portata di mano.