plasma, raccolte gassose di ioni ed elettroni, costituiscono circa il 99% della materia visibile nell'universo, compreso il sole, le stelle, e il mezzo gassoso che permea lo spazio in mezzo. La maggior parte di questi plasmi, compreso il vento solare che esce costantemente dal sole e spazza attraverso il sistema solare, esistere in uno stato turbolento. Come funziona questa turbolenza rimane un mistero; è una delle aree di ricerca più dinamiche nella fisica del plasma.

Ora, due ricercatori hanno proposto un nuovo modello per spiegare questi processi turbolenti dinamici.

Le scoperte, di Nuno Loureiro, professore associato di scienze e ingegneria nucleare e di fisica al MIT, e Stanislav Boldyrev, professore di fisica all'Università del Wisconsin a Madison, sono riportati oggi in Giornale Astrofisico . Il documento è il terzo di una serie di quest'anno che spiega gli aspetti chiave di come si comportano queste turbolente raccolte di particelle cariche.

"I plasmi naturali nello spazio e negli ambienti astrofisici sono attraversati da campi magnetici ed esistono in uno stato turbolento, " dice Loureiro. "Cioè, la loro struttura è altamente disordinata a tutte le scale:se ingrandisci per guardare sempre più da vicino i ciuffi e i vortici che compongono questi materiali, vedrai segni simili di struttura disordinata ad ogni livello di dimensione." E mentre la turbolenza è un fenomeno comune e ampiamente studiato che si verifica in tutti i tipi di fluidi, la turbolenza che si verifica nei plasmi è più difficile da prevedere a causa dei fattori aggiunti di correnti elettriche e campi magnetici.

"La turbolenza del plasma magnetizzato è affascinantemente complessa e straordinariamente impegnativa, " lui dice.

La riconnessione magnetica è un fenomeno complicato che Loureiro studia in dettaglio da più di un decennio. Per spiegare il processo, fa un esempio ben studiato:"Se guardi un video di un brillamento solare" mentre si inarca verso l'esterno e poi collassa di nuovo sulla superficie del sole, "Questa è la riconnessione magnetica in azione. È qualcosa che accade sulla superficie del sole che porta a rilasci esplosivi di energia". La comprensione di Loureiro di questo processo di riconnessione magnetica ha fornito la base per la nuova analisi che ora può spiegare alcuni aspetti della turbolenza nei plasmi.

Loureiro e Boldyrev hanno scoperto che la riconnessione magnetica deve svolgere un ruolo cruciale nella dinamica della turbolenza del plasma, un'intuizione che, a loro dire, cambia radicalmente la comprensione delle dinamiche e delle proprietà dello spazio e dei plasmi astrofisici e "è davvero un cambiamento concettuale nel modo in cui si pensa alla turbolenza, "dice Loureiro.

Le ipotesi esistenti sulla dinamica della turbolenza plasmatica "possono prevedere correttamente alcuni aspetti di ciò che si osserva, " lui dice, ma "portano a incongruenze".

Loureiro ha lavorato con Boldyrev, uno dei principali teorici sulla turbolenza del plasma, e i due realizzati "possiamo risolvere questo problema fondendo essenzialmente le descrizioni teoriche esistenti di turbolenza e riconnessione magnetica, " spiega Loureiro. Di conseguenza, "il quadro della turbolenza viene modificato concettualmente e porta a risultati che corrispondono maggiormente a quanto osservato dai satelliti che monitorano il vento solare, e molte simulazioni numeriche."

Loureiro si affretta ad aggiungere che questi risultati non provano che il modello sia corretto, ma mostra che è coerente con i dati esistenti. "Sono assolutamente necessarie ulteriori ricerche, " dice Loureiro. "La teoria rende specifico, previsioni verificabili, ma questi sono difficili da verificare con le attuali simulazioni e osservazioni".

Aggiunge, "La teoria è abbastanza universale, che aumenta le possibilità di test diretti." Ad esempio, c'è qualche speranza che una nuova missione della NASA, la sonda solare Parker, il cui lancio è previsto per il prossimo anno e osserverà la corona solare (l'anello caldo di plasma attorno al sole che è visibile dalla Terra solo durante un'eclissi totale), potrebbe fornire le prove necessarie. quella sonda, Loureiro dice, si avvicinerà al sole più di qualsiasi precedente navicella spaziale, e dovrebbe fornire i dati più accurati sulla turbolenza nella corona finora.

La raccolta di queste informazioni vale la pena, Loureiro afferma:"La turbolenza gioca un ruolo fondamentale in una varietà di fenomeni astrofisici, "compresi i flussi di materia nel nucleo di pianeti e stelle che generano campi magnetici tramite un effetto dinamo, il trasporto di materiale in dischi di accrescimento attorno a massicci oggetti centrali come buchi neri, il riscaldamento delle corone e dei venti stellari (i gas costantemente spazzati via dalle superfici delle stelle), e la generazione di strutture nel mezzo interstellare che riempie i vasti spazi tra le stelle. "Una solida comprensione di come funziona la turbolenza in un plasma è la chiave per risolvere questi problemi di vecchia data, " lui dice.

"Questo importante studio rappresenta un significativo passo avanti verso una comprensione fisica più profonda della turbolenza del plasma magnetizzato, "dice Dmitri Uzdensky, professore associato di fisica all'Università del Colorado, che non era coinvolto in questo lavoro. "Spiegando profonde connessioni e interazioni tra due processi del plasma onnipresenti e fondamentali - turbolenza magnetoidrodinamica e riconnessione magnetica - questa analisi cambia la nostra immagine teorica di come l'energia dei movimenti turbolenti del plasma si riversa da grande a piccola scala".

Aggiunge, "Questo lavoro si basa su un precedente studio pionieristico pubblicato da questi autori all'inizio di quest'anno e lo estende a un regno più ampio di plasmi senza collisioni. Ciò rende la teoria risultante direttamente applicabile ad ambienti di plasma più realistici presenti in natura. Allo stesso tempo, questo documento porta a nuove allettanti domande sulla turbolenza e sulla riconnessione del plasma e apre così nuove direzioni di ricerca, stimolando così i futuri sforzi di ricerca nella fisica spaziale e nell'astrofisica del plasma".

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.