Come sulla Terra, così nello spazio. Una missione di quattro satelliti che sta studiando la riconnessione magnetica, la rottura e la riconnessione esplosiva delle linee del campo magnetico nel plasma che si verifica in tutto l'universo, ha scoperto che gli aspetti chiave del processo nello spazio sono sorprendentemente simili a quelli trovati negli esperimenti al Laboratorio di fisica del plasma di Princeton (PPPL) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE). Le somiglianze mostrano come gli studi si completino a vicenda:il laboratorio cattura importanti caratteristiche globali di riconnessione e il veicolo spaziale documenta le proprietà chiave locali man mano che si verificano.

Le osservazioni effettuate dalla missione Magnetospheric Multiscale Satellite (MMS), che la NASA ha lanciato nel 2015 per studiare la riconnessione nel campo magnetico che circonda la Terra, corrispondono abbastanza bene con i risultati di laboratorio passati e presenti dell'esperimento di riconnessione magnetica (MRX) al PPPL. La precedente ricerca MRX ha scoperto il processo mediante il quale si verifica una rapida riconnessione e ha identificato la quantità di energia magnetica che viene convertita in energia delle particelle durante il processo, che dà origine all'aurora boreale, brillamenti solari e tempeste geomagnetiche che possono interrompere il servizio di telefonia cellulare, oscurare le reti elettriche e danneggiare i satelliti in orbita.

Linee guida per le misurazioni MMS

I precedenti risultati MRX sono serviti come linee guida per le misurazioni effettuate dalla missione MMS, che cerca di comprendere la regione in cui la riconnessione delle linee di campo nel plasma, lo stato della materia composta da elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni:avviene. Gli ultimi esperimenti PPPL estendono i risultati a nuove aree di accordo. "Nonostante le enormi differenze nelle dimensioni degli strati di riconnessione nell'MRX e nello spazio, caratteristiche notevolmente simili si osservano in entrambi, " disse Masaaki Yamada, investigatore principale sul MRX, e autore principale del recente articolo che riporta i risultati nell'edizione del 6 dicembre di Comunicazioni sulla natura .

Le precedenti ricerche di laboratorio hanno esaminato la riconnessione "simmetrica", in cui la densità dei plasmi su ciascun lato delle regioni di riconnessione è all'incirca la stessa. Il nuovo documento esamina la riconnessione nella magnetopausa, la regione esterna della magnetosfera, e nell'MRX che è "asimmetrico, " il che significa che il plasma su un lato della regione è almeno 10 volte più denso che sull'altro. La missione MMS ha concentrato la sua ricerca iniziale sull'aspetto asimmetrico della riconnessione, poiché il plasma nel vento solare - le particelle cariche che fluiscono dal sole - è molto più denso del plasma nella magnetosfera.

Nel nuovo giornale, i ricercatori esaminano quella che viene chiamata la fisica della riconnessione "a due fluidi" che descrive ogni comportamento di ioni ed elettroni in modo diverso durante il processo. Tale fisica domina la riconnessione magnetica in entrambi i sistemi MRX e plasma magnetosferico, consentendo un livello senza precedenti di esame incrociato tra misurazioni di laboratorio e osservazioni spaziali.

Risultati chiave

Di seguito sono riportati i risultati chiave del doppio fluido, ricerca asimmetrica su MRX che si è dimostrata in sorprendente accordo con le misurazioni del comportamento di elettroni e ioni da parte dei satelliti spaziali e la conversione dell'energia magnetica in energia delle particelle. Le simulazioni al computer hanno aiutato questi risultati:

• Elettroni. Gli esperimenti hanno dimostrato che la corrente di elettroni scorre perpendicolare, e non paralleli come si pensava un tempo, al campo magnetico. Questo flusso è la chiave per la conversione dell'energia magnetica in elettroni che avviene in uno stretto strato limite chiamato "regione di diffusione degli elettroni" dove avviene una rapida riconnessione. La scoperta è coerente con le recenti misurazioni spaziali MMS e nuove in laboratorio per la riconnessione asimmetrica.
• Ioni. La corrente ionica scorre anche perpendicolare al campo magnetico come nel caso dell'elettrone, e allo stesso modo è la chiave per la conversione dell'energia magnetica degli ioni in energia delle particelle. Per gli ioni, questa conversione avviene nella più ampia "regione di diffusione ionica" tra plasmi convergenti ed è una scoperta altrettanto recente sulla riconnessione asimmetrica nei plasmi di laboratorio.

Gli esperimenti MRX hanno studiato ulteriormente diversi aspetti della conversione nei casi simmetrici e asimmetrici. Nella riconnessione simmetrica, In precedenza si era scoperto che il 50 percento dell'energia magnetica veniva convertito in ioni ed elettroni, con un terzo della conversione che interessa gli elettroni e due terzi che accelerano gli ioni. Il tasso di conversione totale rimane all'incirca lo stesso nel caso asimmetrico, così come il rapporto di conversione dell'energia per ioni ed elettroni.