Mentre la Terra orbita intorno al sole, attraversa un flusso di particelle in rapido movimento che possono interferire con i satelliti e i sistemi di posizionamento globale. Ora, un team di scienziati del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e della Princeton University ha riprodotto un processo che si verifica nello spazio per approfondire la comprensione di ciò che accade quando la Terra incontra questo vento solare.

Il team ha utilizzato simulazioni al computer per modellare il movimento di un getto di plasma, lo stato di carica della materia composto da elettroni e nuclei atomici che costituisce tutte le stelle del cielo, compreso il nostro sole. Molti eventi cosmici possono produrre getti di plasma, da rutti stellari relativamente piccoli a gigantesche esplosioni stellari note come supernovae. Quando i getti di plasma in rapido movimento passano attraverso il plasma più lento che esiste nel vuoto dello spazio, crea ciò che è noto come un'onda d'urto senza collisioni.

Questi shock si verificano anche quando la Terra si muove attraverso il vento solare e possono influenzare il modo in cui il vento turbina dentro e intorno alla magnetosfera terrestre, lo schermo magnetico protettivo che si estende nello spazio. Comprendere le onde d'urto del plasma potrebbe aiutare gli scienziati a prevedere il clima spaziale che si sviluppa quando il vento solare vortica nella magnetosfera e consentire ai ricercatori di proteggere i satelliti che consentono alle persone di comunicare in tutto il mondo.

Le simulazioni hanno rivelato diversi segni rivelatori che indicano quando si sta formando uno shock, comprese le caratteristiche dello shock, le tre fasi della formazione dello shock, e fenomeni che potrebbero essere scambiati per uno shock. "Potendo distinguere uno shock da altri fenomeni, gli scienziati possono essere sicuri che ciò che vedono in un esperimento è ciò che vogliono studiare nello spazio, " disse Derek Schaeffer, uno studioso di ricerca associato presso il Dipartimento di Astrofisica dell'Università di Princeton che ha guidato il team di ricerca PPPL. I risultati sono stati riportati in un articolo pubblicato su Fisica dei Plasmi che ha dato seguito a ricerche precedenti riportate qui e qui.

Gli shock di plasma che si verificano nello spazio, come quelli creati dalla Terra che viaggia contro il vento solare, assomigliano alle onde d'urto create nell'atmosfera terrestre da aerei a reazione supersonici. In entrambe le occorrenze, materiale in rapido movimento incontra materiale lento o fermo e deve cambiare rapidamente la sua velocità, creando un'area di vortici, vortici e turbolenze.

Ma nello spazio, le interazioni tra particelle di plasma veloci e lente avvengono senza che le particelle si tocchino l'una con l'altra. "Dev'essere qualcos'altro a guidare questa formazione d'urto, come le particelle di plasma che si attraggono o si respingono elettricamente, " ha detto Schaeffer. "In ogni caso, il meccanismo non è completamente compreso."

Per aumentare la loro comprensione, i fisici conducono esperimenti al plasma in laboratorio per monitorare da vicino le condizioni e misurarle con precisione. In contrasto, le misurazioni effettuate dai veicoli spaziali non possono essere facilmente ripetute e campionare solo una piccola regione di plasma. Le simulazioni al computer aiutano quindi i fisici a interpretare i dati di laboratorio.

Oggi, la maggior parte degli shock al plasma da laboratorio sono formati utilizzando un meccanismo noto come pistone al plasma. Per creare il pistone, gli scienziati puntano un laser su un piccolo bersaglio. Il laser provoca il riscaldamento di piccole quantità della superficie del bersaglio, diventare un plasma, e andare verso l'esterno attraverso un ambiente, plasma più lento.

Schaeffer e colleghi hanno prodotto la loro simulazione modellando questo processo. "Pensa a un masso nel mezzo di un ruscello in rapido movimento, " disse Schaeffer. "L'acqua arriverà fino alla parte anteriore del masso, ma non del tutto raggiungerlo. L'area di transizione tra il movimento rapido e il movimento zero [in piedi] è lo shock."

I risultati simulati aiuteranno i fisici a distinguere un'onda d'urto di plasma astrofisico da altre condizioni che si presentano negli esperimenti di laboratorio. "Durante gli esperimenti al plasma laser, potresti osservare molto riscaldamento e compressione e pensare che siano segni di uno shock, " Schaeffer ha detto. "Ma non sappiamo abbastanza sulle fasi iniziali di uno shock per saperlo solo dalla teoria. Per questo tipo di esperimenti laser, dobbiamo capire come distinguere tra uno shock e solo l'espansione del plasma guidato dal laser."

Nel futuro, i ricercatori mirano a rendere le simulazioni più realistiche aggiungendo più dettagli e rendendo meno uniformi la densità e la temperatura del plasma. Vorrebbero anche eseguire esperimenti per determinare se i fenomeni previsti dalle simulazioni possono effettivamente verificarsi in un apparato fisico. "Vorremmo mettere alla prova le idee di cui parliamo sul giornale, "dice Schaeffer.