Riconnessione magnetica veloce, la rapida convergenza, separazione ed esplosione esplosiva delle linee del campo magnetico, dà origine all'aurora boreale, brillamenti solari e tempeste geomagnetiche che possono interrompere il servizio di telefonia cellulare e le reti elettriche. Il fenomeno avviene nel plasma, lo stato della materia composta da elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni, che costituisce il 99 percento dell'universo visibile. Ma se la riconnessione rapida possa avvenire nel plasma parzialmente ionizzato, plasma che include atomi, elettroni e ioni liberi, non è ben compreso.

I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno ora prodotto il primo modello completamente cinetico del comportamento delle particelle di plasma e hanno scoperto che la riconnessione rapida può effettivamente verificarsi in sistemi parzialmente ionizzati. I modelli cinetici simulano la distribuzione e la velocità di miliardi di particelle, rispetto ai modelli fluidi che trattano il plasma come un mezzo continuo piuttosto che come una raccolta di singole particelle.

"Esiste un'intera classe di plasmi parzialmente ionizzati il ​​cui legame con la riconnessione non è stato ben studiato, " ha detto il fisico Jonathan Jara-Almonte, autore principale di un articolo in Lettere di revisione fisica che riporta le recenti scoperte. "Abbiamo ora dimostrato che la riconnessione rapida può verificarsi in sistemi parzialmente ionizzati".

Per esempio, la ricerca suggerisce che una rapida riconnessione nel plasma parzialmente ionizzato nella cromosfera solare, la regione tra la superficie del sole e la corona solare a forma di alone, potrebbe svolgere un ruolo nello sviluppo delle correnti a getto. Tali flussi sono una possibile fonte del vento solare che rimbalza caldo, plasma carico dal campo magnetico terrestre.

Implicazioni importanti

La riconnessione rapida nel plasma parzialmente ionizzato ha importanti implicazioni per il mezzo interstellare, le vaste nubi di gas e polvere che riempiono il cosmo tra le stelle. Il freddo, regioni dense del mezzo interstellare dove si formano le stelle sono solo molto poco ionizzate, e la riconnessione rapida che si verifica all'interno di queste regioni può aiutare a rimuovere i campi magnetici che impediscono la formazione stellare.

Capire quando e dove avviene la riconnessione rapida rimane un problema irrisolto, e le precedenti previsioni analitiche per plasmi parzialmente ionizzati si basavano sull'estrapolazione da quelli completamente ionizzati. Le nuove simulazioni, eseguita su computer presso la Princeton University, dimostrato che il passaggio alla riconnessione rapida avviene solo quando il foglio corrente è molto più sottile del previsto. I risultati suggeriscono che il trasporto di plasma e calore è diverso nei plasmi parzialmente ionizzati e può alterare come e quando avviene la riconnessione.

Questi risultati si concentrano sulla riconnessione su scala molto piccola, a differenza del processo che avviene nella cromosfera solare. Ciò nonostante, la simulazione si è dimostrata compatibile con la riconnessione nella cromosfera superiore nonché in esperimenti di laboratorio su piccola scala.

Andando avanti, Jara-Almonte prevede di confrontare i risultati della simulazione cinetica con quelli delle simulazioni di fluidi che hanno dominato la precedente modellazione di plasmi parzialmente ionizzati. I co-autori del recente articolo sono stati i fisici PPPL Hantao Ji, professore di scienze astrofisiche all'Università di Princeton; Masaaki Yamada, ricercatore principale dell'esperimento di riconnessione magnetica (MRX) al PPPL; e Will Fox, insieme a Bill Daughton del Los Alamos National Laboratory.