In un articolo recentemente pubblicato da Lettere di revisione fisica , un team di ricercatori tra cui scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) dettagliano le prime misurazioni quantitative della struttura del campo magnetico della filamentazione del plasma guidata dall'instabilità di Weibel, utilizzando una nuova tecnica di diffusione ottica Thompson.

Questi esperimenti studiano i processi responsabili della formazione di urti senza collisioni, fenomeni che si osservano in ambienti astrofisici, come l'espansione delle esplosioni di supernova nel mezzo interstellare. Le particelle di queste esplosioni e il mezzo interstellare hanno una densità molto bassa e potrebbero viaggiare per anni luce senza scontrarsi.

Però, il plasma è in grado di autogenerare forti campi magnetici ed elettrici. Mentre i flussi di plasma passano l'uno attraverso l'altro, diventano suscettibili all'instabilità di Weibel, un'instabilità del plasma presente in alcuni plasmi elettromagnetici, causando il "filamento" dei due flussi che si compenetrano e si aggregano in flussi separati. I campi magnetici avvolgono questi flussi filamentosi, aumentando il grado di filamento.

Il plasma amplifica questi campi magnetici finché non diventano abbastanza forti da far girare completamente le particelle. A quel punto il flusso si ferma e si forma lo shock senza collisioni. I potenti campi magnetici associati allo shock hanno un altro effetto:il loro movimento turbolento nel plasma accelera le particelle cariche ad alta energia, producendo raggi cosmici osservabili sulla Terra. L'instabilità di Weibel è l'elemento più critico nel processo di formazione degli shock.

"Lo scopo degli esperimenti è quello di indagare la dinamica dell'instabilità di Weibel, " disse George Swadling, Fisico LLNL e autore principale dell'articolo. "Mentre gli effetti della filamentazione erano stati osservati in precedenti esperimenti utilizzando la radiografia protonica, non erano state effettuate misurazioni dirette della dinamica del plasma. Queste misurazioni dirette possono essere utilizzate per confrontare direttamente i modelli teorici e numerici, che servono per comprendere la crescita e lo sviluppo di questa instabilità.

"Questi processi si verificano su scale troppo piccole per essere osservate nei sistemi astrofisici, quindi gli esperimenti di laboratorio forniscono la migliore opportunità per poter testare i modelli teorici, " ha aggiunto. "In questo caso, siamo stati in grado di vincolare il modello utilizzato per prevedere la forza massima dei campi magnetici prodotti da questo processo".

Utilizzando la struttura OMEGA presso il Laboratorio di Energetica Laser dell'Università di Rochester, il team ha riscaldato coppie di dischi di berillio del diametro di 1 millimetro utilizzando impulsi laser da 1 nanosecondo. Le superfici riscaldate si sono espanse, producendo flussi di plasma con velocità di picco di 3,3 milioni di miglia all'ora. I ricercatori hanno fatto scontrare i flussi e hanno studiato il comportamento del plasma nel centro di collisione utilizzando la diagnostica ottica di dispersione Thomson, che misura la temperatura, densità e velocità dei flussi di plasma, consentendo loro di osservare direttamente la formazione di filamenti di plasma a causa dell'instabilità di Weibel e di misurare la corrente e il campo magnetico associati a quei filamenti.

“È stata svolta un'enorme mole di lavoro teorico e di simulazione per capire come si sviluppa questa instabilità e come può formare urti e accelerare le particelle. Mancano però le prove sperimentali per testare queste teorie, Swadling ha detto. "I nostri dati altamente quantitativi rappresentano quindi una delle migliori opportunità ancora per testare i modelli teorici e i codici di simulazione utilizzati per prevedere questi fenomeni".

Guardando avanti, il team applicherà ciò che hanno appreso in questa campagna per confrontare la particella nei modelli cellulari utilizzati per progettare esperimenti e fare più misurazioni quando l'instabilità si sarà ulteriormente sviluppata, permettendo loro di osservare la transizione dal plasma instabile allo stato d'urto completamente formato.