Onde d'urto ad alta energia guidate da brillamenti solari e espulsioni di massa coronale di plasma dal sole eruttano in tutto il sistema solare, scatenando tempeste spaziali magnetiche che possono danneggiare i satelliti, interrompere il servizio di telefonia cellulare e oscurare le reti elettriche sulla Terra. A guidare le onde ad alta energia è anche il vento solare, plasma che fluisce costantemente dal sole e colpisce il campo magnetico protettivo della Terra.

Ora gli esperimenti condotti dai ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) nel Princeton Center for Heliophysics hanno per la prima volta riprodotto il processo alla base di tali shock. I risultati colmano il divario tra le osservazioni di laboratorio e quelle dei veicoli spaziali e migliorano la comprensione di come funziona l'universo.

salti improvvisi

Gli esperimenti, segnalato in Lettere di revisione fisica , mostrano come l'interazione del plasma, lo stato della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni:possono causare sbalzi improvvisi nella pressione del plasma e nell'intensità del campo magnetico che possono accelerare le particelle fino a raggiungere la velocità della luce. Tali shock sono "senza collisioni" perché sono formati dall'interazione di onde e particelle di plasma piuttosto che da collisioni tra le particelle stesse.

La ricerca ha prodotto la misurazione dell'intera corsa agli shock. "La misurazione diretta è un modo elegante per vedere come le particelle si muovono e interagiscono, " ha detto il fisico Derek Schaeffer del PPPL e dell'Università di Princeton, che ha condotto la ricerca. "Il nostro articolo mostra che possiamo impiegare una potente diagnostica per studiare i movimenti delle particelle che portano a shock".

La ricerca, condotto sulla struttura laser Omega presso l'Università di Rochester, ha prodotto un plasma guidato dal laser, chiamato plasma "pistone", che si è espanso alla velocità supersonica di oltre un milione di miglia all'ora attraverso un plasma ambientale preesistente. L'espansione ha accelerato gli ioni nel plasma ambientale a velocità di circa mezzo milione di miglia all'ora, simulando il precursore degli shock senza collisioni che si verificano in tutto il cosmo.

La ricerca si è sviluppata in più fasi:

• Primo, la creazione del plasma a pistone riproduceva i plasmi supersonici che si formano nello spazio. Il pistone ha agito come uno spazzaneve, spazzare ioni nel plasma ambientale immerso in un campo magnetico.
• Man mano che più di questi ioni vengono assorbiti, formavano una barriera che impediva al pistone di agire ulteriormente. "Una volta che hai accumulato abbastanza 'neve', l'ammortizzatore si disaccoppia dal pistone, " ha detto Schaeffer.
• Il pistone fermo trasmise la formazione dell'urto al plasma magnetizzato altamente compresso, che ha dato origine all'improvviso salto senza collisioni.

I ricercatori hanno utilizzato una diagnostica chiamata dispersione di Thompson per tenere traccia di questi sviluppi. La diagnostica rileva la luce laser diffusa dagli elettroni nel plasma, consentendo la misurazione della temperatura e della densità degli elettroni e della velocità degli ioni che scorrono. I risultati, scrivono gli autori, mostrano che gli esperimenti di laboratorio possono sondare il comportamento delle particelle di plasma nel precursore di shock astrofisici senza collisioni, "e può completare, e in alcuni casi superare i limiti di misurazioni simili intraprese dalle missioni spaziali".

Obiettivo finale

Mentre questa ricerca riproduceva il processo che scatena gli shock, l'obiettivo finale è misurare le stesse particelle accelerate dagli urti. Per quel passo, ha detto Schaeffer, "la stessa diagnostica può essere utilizzata una volta sviluppata la capacità di guidare shock abbastanza forti. Come bonus, " Aggiunge, "questa diagnostica è simile a come i veicoli spaziali misurano i movimenti delle particelle negli shock spaziali, così i risultati futuri possono essere confrontati direttamente."