Le forze magnetiche si propagano in tutto l'universo, dai campi che circondano i pianeti ai gas che riempiono le galassie, e può essere lanciato da un fenomeno chiamato effetto batteria Biermann. Ora gli scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hanno scoperto che questo fenomeno potrebbe non solo generare campi magnetici, ma può tagliarli per innescare la riconnessione magnetica, una scoperta notevole e sorprendente.

L'effetto batteria Biermann, un possibile seme per i campi magnetici che pervadono il nostro universo, sorge nei plasmi, lo stato della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, quando la temperatura e la densità del plasma sono disallineate. Le parti superiori di tali plasmi potrebbero essere più calde delle parti inferiori, e la densità potrebbe essere maggiore a sinistra che a destra. Questo disallineamento dà origine a una forza elettromotrice che genera corrente che porta a campi magnetici. Il processo prende il nome da Ludwig Biermann, un astrofisico tedesco che lo scoprì nel 1950.

Rivelato attraverso simulazioni al computer

Le nuove scoperte rivelano attraverso simulazioni al computer un ruolo precedentemente sconosciuto per l'effetto Biermann che potrebbe migliorare la comprensione della riconnessione:la rottura e la violenta riconnessione delle linee del campo magnetico nei plasmi che danno origine all'aurora boreale, brillamenti solari e tempeste spaziali geomagnetiche che possono interrompere il servizio di telefonia cellulare e le reti elettriche sulla Terra.

I risultati "forniscono una nuova piattaforma per replicare in laboratorio la riconnessione osservata nei plasmi astrofisici, "ha detto Jackson Matteucci, uno studente laureato nel programma in fisica del plasma presso PPPL e autore principale di una descrizione del processo in Physical Review Letters. I coautori del documento includono i suoi relatori di tesi, Will Fox di PPPL e Amitava Bhattacharjee, capo del dipartimento di teoria del PPPL, e ricercatori di altri laboratori.

Le simulazioni hanno modellato i risultati pubblicati di esperimenti in Cina che hanno studiato il plasma ad alta densità di energia (HED), materia sottoposta a pressioni estreme come quella esistente nel centro della Terra. Gli esperimenti, in cui PPPL non ha avuto alcun ruolo, ha usato dei laser per far esplodere un paio di bolle di plasma da un solido bersaglio di metallo. Simulazioni del plasma tridimensionale hanno tracciato l'espansione delle bolle e dei campi magnetici che l'effetto Biermann ha creato, e ha tracciato la collisione dei campi per produrre la riconnessione magnetica.

Le simulazioni hanno mostrato che la temperatura è aumentata nelle linee del campo di riconnessione e ha invertito il ruolo dell'effetto Biermann che ha originato le linee. A causa della punta, l'effetto Biermann distrusse le linee di campo magnetico che aveva creato, tagliandoli come un paio di forbici che tagliano un elastico. I campi affettati si sono poi riconnessi a valle, lontano dal punto di riconnessione originale. "Questa è la prima simulazione che mostra la riconnessione magnetica mediata dalla batteria di Biermann, " Ha detto Matteucci. "Questo processo non era mai stato conosciuto prima".

Monitoraggio di miliardi di ioni ed elettroni

La modellazione degli esperimenti HED ha richiesto il monitoraggio di miliardi di ioni ed elettroni che interagiscono tra loro e con i campi elettrici e magnetici creati dal loro movimento, in quelle che vengono chiamate simulazioni cinetiche 3D. I ricercatori hanno effettuato queste simulazioni sul supercomputer Titan presso il DOE Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) presso l'Oak Ridge National Laboratory.

Da allora gli scienziati hanno modellato un esperimento britannico e stanno lavorando a simulazioni di esperimenti eseguiti presso il Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell'Università di Rochester e il National Ignition Facility presso il Lawrence Livermore National Laboratory.