Un primo piano del bersaglio sperimentale presso il Laboratorio di Energetica Laser, composto da due lamine e una coppia di griglie, tenuti insieme da scudi cilindrici. Ogni bersaglio ha le dimensioni di un centesimo. I ricercatori hanno progettato e lavorato gli obiettivi per produrre un plasma turbolento a condizioni mai raggiunte prima in un ambiente di laboratorio. Credito:foto dell'Università di Rochester/Eugene Kowaluk
L'universo è pieno di campi magnetici. Comprendere come i campi magnetici vengono generati e amplificati nei plasmi è essenziale per studiare come si sono formate le grandi strutture nell'universo e come l'energia è divisa in tutto il cosmo.
Una collaborazione internazionale, co-guidato da ricercatori dell'Università di Rochester, l'Università di Oxford, e l'Università di Chicago, hanno condotto esperimenti che hanno catturato per la prima volta in un laboratorio la storia temporale della crescita dei campi magnetici da parte della dinamo turbolenta, un meccanismo fisico ritenuto responsabile della generazione e del mantenimento dei campi magnetici astrofisici.
Gli esperimenti hanno avuto accesso a condizioni rilevanti per la maggior parte dei plasmi nell'universo e hanno quantificato la velocità con cui la dinamo turbolenta amplifica i campi magnetici, una proprietà precedentemente derivata solo da previsioni teoriche e simulazioni numeriche. La rapida amplificazione che hanno trovato supera le aspettative teoriche e potrebbe aiutare a spiegare l'origine degli attuali campi su larga scala che si osservano negli ammassi di galassie. I loro risultati sono stati pubblicati l'8 marzo nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
I ricercatori, parte del team Turbulent Dynamo (TDYNO), hanno condotto la loro ricerca sperimentale presso l'Omega Laser Facility presso il Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell'Università di Rochester, dove avevano precedentemente dimostrato sperimentalmente l'esistenza del meccanismo turbolento della dinamo. Questa svolta è valsa al team il premio John Dawson 2019 per l'eccellenza nella ricerca sulla fisica del plasma dall'American Physical Society.
Nei loro esperimenti più recenti presso l'Omega Laser Facility, i ricercatori hanno utilizzato raggi laser la cui potenza totale è equivalente a quella di 10, 000 reattori nucleari. Sono stati in grado di ottenere condizioni rilevanti per il caldo, plasma diffuso del mezzo intracluster in cui si pensa operi il meccanismo turbolento della dinamo. Il team ha quindi misurato in funzione del tempo l'amplificazione del campo magnetico prodotta da questo meccanismo.
"Capire come e con quale velocità i campi magnetici vengono amplificati su scala macroscopica nella turbolenza astrofisica è la chiave per spiegare i campi magnetici osservati negli ammassi di galassie, le strutture più grandi dell'Universo, "dice Archie Bott, un associato di ricerca post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze Astrofisiche di Princeton e autore principale dello studio. "Mentre i modelli numerici e la teoria prevedono un'amplificazione rapida della dinamo turbolenta su scale molto piccole rispetto ai movimenti turbolenti, era rimasto incerto sul fatto che il meccanismo operasse abbastanza rapidamente da tenere conto di campi dinamicamente significativi su scale più grandi."
Al centro del meccanismo della dinamo astrofisica c'è la turbolenza. I campi magnetici primordiali sono generati con intensità notevolmente inferiori a quelle osservate oggi negli ammassi di galassie. Moti stocastici del plasma, però, possono raccogliere questi deboli campi "seme" e amplificare i loro punti di forza a valori significativamente più grandi tramite l'allungamento, torsione e piegatura del campo. La velocità con cui avviene questa amplificazione, il "tasso di crescita, " differisce per le diverse scale spaziali dei moti turbolenti del plasma:la teoria e le simulazioni prevedono che il tasso di crescita è grande alle scale di lunghezza più piccole ma molto più piccole alle scale di lunghezza paragonabili a quelle dei più grandi moti turbolenti. Gli esperimenti TDYNO hanno dimostrato che questo può non è il caso:la dinamo turbolenta, quando opera in un plasma realistico, può generare campi magnetici su larga scala molto più rapidamente di quanto attualmente previsto dai teorici.
"La nostra comprensione teorica del funzionamento della dinamo turbolenta è cresciuta continuamente per oltre mezzo secolo, "dice Gianluca Gregori, professore di fisica presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Oxford e responsabile sperimentale del progetto. "I nostri recenti esperimenti guidati dal laser TDYNO sono stati in grado di affrontare per la prima volta come la dinamo turbolenta si evolve nel tempo, permettendoci di misurare sperimentalmente il suo tasso di crescita effettivo."
Questi esperimenti fanno parte di uno sforzo concertato del team TDYNO per rispondere a domande chiave dibattute nella turbolenta letteratura sulla dinamo, stabilire esperimenti di laboratorio come componente nello studio dei plasmi magnetizzati turbolenti. La collaborazione ha costruito una piattaforma sperimentale innovativa che, insieme alla potenza del laser OMEGA, consente al team di sondare i diversi regimi di plasma rilevanti per vari sistemi astrofisici. Gli esperimenti sono progettati utilizzando simulazioni numeriche eseguite con il codice FLASH, un codice di simulazione pubblicamente disponibile in grado di modellare con precisione esperimenti guidati da laser di plasmi di laboratorio. FLASH è sviluppato dal Flash Center for Computational Science, che recentemente si è trasferito dall'Università di Chicago all'Università di Rochester.
"La capacità di fare alta fedeltà, modellazione predittiva con FLASH, e le capacità diagnostiche all'avanguardia dell'Omega Laser Facility presso l'LLE, hanno messo il nostro team in una posizione unica per far avanzare in modo decisivo la nostra comprensione di come nascono i campi magnetici cosmici, "dice Petros Tzeferacos, un professore associato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Rochester e uno scienziato senior presso l'LLE, il responsabile della simulazione del progetto. Tzeferacos è anche direttore del Flash Center di Rochester.
"Questo lavoro apre la strada alle indagini di laboratorio su una varietà di processi astrofisici mediati dalla turbolenza magnetizzata, "aggiunge Don Agnello, il Robert A. Millikan Distinguished Service Professor emerito in Astronomia e Astrofisica presso l'Università di Chicago e ricercatore principale del progetto TDYNO National Laser User's Facility (NLUF). "È davvero emozionante vedere i risultati scientifici che l'ingegnosità di questo team sta rendendo possibili".
