Nuove simulazioni effettuate in parte sul supercomputer ATERUI II in Giappone hanno scoperto che la ragione per cui gli ioni esistono a temperature più elevate degli elettroni nel plasma spaziale è perché sono in grado di assorbire meglio l'energia dalle fluttuazioni turbolente di compressione nel plasma. Queste scoperte hanno importanti implicazioni per la comprensione delle osservazioni di vari oggetti astronomici come le immagini del disco di accrescimento e l'ombra del buco nero supermassiccio M87 catturate dall'Event Horizon Telescope.

Oltre ai normali tre stati della materia (solido, liquido, e gas) che ogni giorno vediamo intorno a noi, c'è uno stato aggiuntivo chiamato plasma che esiste solo ad alte temperature. In queste condizioni, gli elettroni si separano dai loro atomi genitori lasciando dietro di sé ioni carichi positivamente. Nel plasma spaziale gli elettroni e gli ioni si scontrano raramente tra loro, nel senso che possono coesistere in condizioni diverse, come a temperature diverse. Però, non c'è una ragione ovvia per cui dovrebbero avere temperature diverse a meno che una forza non li influenzi in modo diverso. Quindi il motivo per cui gli ioni sono solitamente più caldi degli elettroni nel plasma spaziale è stato a lungo un mistero.

Un modo per riscaldare il plasma è la turbolenza. Le fluttuazioni caotiche nella turbolenza si mescolano dolcemente con le particelle, e quindi la loro energia viene convertita in calore. Per determinare i ruoli dei diversi tipi di fluttuazioni nel riscaldamento del plasma, un team internazionale guidato da Yohei Kawazura presso la Tohoku University in Giappone ha eseguito le prime simulazioni al mondo di plasma spaziale, inclusi due tipi di fluttuazioni, oscillazioni trasversali delle linee di campo magnetico e oscillazioni longitudinali di pressione. Hanno usato simulazioni girocinetiche ibride non lineari che sono particolarmente adatte a modellare fluttuazioni lente. Queste simulazioni sono state condotte su diversi supercomputer, tra cui ATERUI II presso l'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone.

I risultati hanno mostrato che le fluttuazioni longitudinali si mescolano con gli ioni ma lasciano gli elettroni. D'altra parte le fluttuazioni trasversali possono mescolarsi sia con ioni che con elettroni. "Sorprendentemente, le fluttuazioni longitudinali sono pignoli riguardo alle specie partner con cui mescolarsi, " dice Kawazura. Questo è un risultato chiave per comprendere i rapporti di riscaldamento ione-elettrone nei plasmi osservati nello spazio, come quello intorno al buco nero supermassiccio nel Galaxy M87.