Visualizzazione di campi magnetici di semi filamentosi che emergono da movimenti su larga scala di plasma non magnetizzato in una simulazione numerica dei primi principi. Credito:Muni Zhou et al.
Quando guardiamo nello spazio, tutti gli oggetti astrofisici che vediamo sono incorporati in campi magnetici. Questo è vero non solo nelle vicinanze di stelle e pianeti, ma anche nello spazio profondo tra le galassie e gli ammassi galattici. Questi campi sono deboli, in genere molto più deboli di quelli di un magnete da frigorifero, ma sono dinamicamente significativi nel senso che hanno effetti profondi sulla dinamica dell'universo. Nonostante decenni di intenso interesse e ricerca, l'origine di questi campi magnetici cosmici rimane uno dei misteri più profondi della cosmologia.
In ricerche precedenti, gli scienziati sono giunti a comprendere come la turbolenza, il movimento turbolento comune ai fluidi di tutti i tipi, potesse amplificare i campi magnetici preesistenti attraverso il cosiddetto processo dinamo. Ma questa straordinaria scoperta ha solo spinto il mistero un passo più in profondità. Se una dinamo turbolenta può solo amplificare un campo esistente, da dove viene in primo luogo il campo magnetico "seme"?
Non avremmo una risposta completa e autoconsistente all'origine dei campi magnetici astrofisici finché non avessimo compreso come sono nati i campi seme. Il nuovo lavoro svolto dalla studentessa laureata del MIT Muni Zhou, dal suo consulente Nuno Loureiro, professore di scienze e ingegneria nucleare al MIT, e dai colleghi della Princeton University e dell'Università del Colorado a Boulder fornisce una risposta che mostra i processi di base che generano un campo da uno stato completamente non magnetizzato al punto in cui è abbastanza forte perché il meccanismo della dinamo prenda il controllo e amplifichi il campo alle grandezze che osserviamo.
I campi magnetici sono ovunque
I campi magnetici naturali sono visibili ovunque nell'universo. Sono stati osservati per la prima volta sulla Terra migliaia di anni fa, attraverso la loro interazione con minerali magnetizzati come la calamita, e utilizzati per la navigazione molto prima che le persone capissero la loro natura o origine. Il magnetismo sul sole è stato scoperto all'inizio del 20° secolo dai suoi effetti sullo spettro di luce emesso dal sole. Da allora, telescopi più potenti che guardavano in profondità nello spazio hanno scoperto che i campi erano onnipresenti.
E mentre gli scienziati avevano imparato da tempo a realizzare e utilizzare magneti permanenti ed elettromagneti, che avevano ogni sorta di applicazioni pratiche, le origini naturali dei campi magnetici nell'universo restavano un mistero. Il lavoro recente ha fornito parte della risposta, ma molti aspetti di questa domanda sono ancora in discussione.
Amplificazione dei campi magnetici:l'effetto dinamo
Gli scienziati hanno iniziato a pensare a questo problema considerando il modo in cui i campi elettrici e magnetici venivano prodotti in laboratorio. Quando i conduttori, come il filo di rame, si muovono nei campi magnetici, si creano campi elettrici. Questi campi, o tensioni, possono quindi pilotare correnti elettriche. È così che viene prodotta l'elettricità che utilizziamo ogni giorno. Attraverso questo processo di induzione, grandi generatori o "dinamo" convertono l'energia meccanica nell'energia elettromagnetica che alimenta le nostre case e uffici. Una caratteristica fondamentale delle dinamo è che hanno bisogno di campi magnetici per funzionare.
Ma nell'universo non ci sono fili evidenti o grandi strutture d'acciaio, quindi come nascono i campi? I progressi su questo problema sono iniziati circa un secolo fa, quando gli scienziati hanno riflettuto sulla fonte del campo magnetico terrestre. A quel punto, gli studi sulla propagazione delle onde sismiche hanno mostrato che gran parte della Terra, al di sotto degli strati superficiali più freddi del mantello, era liquida e che c'era un nucleo composto da nichel fuso e ferro. I ricercatori hanno teorizzato che il movimento convettivo di questo liquido caldo ed elettricamente conduttivo e la rotazione della Terra si combinassero in qualche modo per generare il campo terrestre.
Alla fine, sono emersi modelli che hanno mostrato come il movimento convettivo potrebbe amplificare un campo esistente. Questo è un esempio di "auto-organizzazione" - una caratteristica spesso vista nei sistemi dinamici complessi - in cui le strutture su larga scala crescono spontaneamente da dinamiche su piccola scala. Ma proprio come in una centrale elettrica, per creare un campo magnetico avevi bisogno di un campo magnetico.
Un processo simile è all'opera in tutto l'universo. Tuttavia, nelle stelle e nelle galassie e nello spazio tra di esse, il fluido elettricamente conduttore non è metallo fuso, ma plasma, uno stato della materia che esiste a temperature estremamente elevate in cui gli elettroni vengono strappati via dai loro atomi. Sulla Terra, i plasmi possono essere visti nei fulmini o nelle luci al neon. In un tale mezzo, l'effetto dinamo può amplificare un campo magnetico esistente, a condizione che inizi a un livello minimo.
Creare i primi campi magnetici
Da dove viene questo campo di semi? È qui che il recente lavoro di Zhou e dei suoi colleghi, pubblicato il 5 maggio su PNAS Zhou ha sviluppato la teoria sottostante ed eseguito simulazioni numeriche su potenti supercomputer che mostrano come può essere prodotto il campo di semi e quali processi fondamentali sono all'opera. Un aspetto importante del plasma che esiste tra le stelle e le galassie è che è straordinariamente diffuso, in genere circa una particella per metro cubo. Questa è una situazione molto diversa dall'interno delle stelle, dove la densità delle particelle è di circa 30 ordini di grandezza superiore. Le basse densità significano che le particelle nei plasmi cosmologici non si scontrano mai, il che ha effetti importanti sul loro comportamento che dovevano essere inclusi nel modello che questi ricercatori stavano sviluppando.
I calcoli eseguiti dai ricercatori del MIT hanno seguito la dinamica in questi plasmi, che si sono sviluppati da onde ben ordinate ma sono diventati turbolenti man mano che l'ampiezza cresceva e le interazioni diventavano fortemente non lineari. Includendo gli effetti dettagliati della dinamica del plasma su piccola scala sui processi astrofisici macroscopici, hanno dimostrato che i primi campi magnetici possono essere prodotti spontaneamente attraverso movimenti generici su larga scala semplici come flussi traslati. Proprio come gli esempi terrestri, l'energia meccanica è stata convertita in energia magnetica.
Un risultato importante del loro calcolo è stata l'ampiezza del campo magnetico generato spontaneamente. Ciò che ha mostrato è che l'ampiezza del campo potrebbe salire da zero a un livello in cui il plasma è "magnetizzato", cioè in cui la dinamica del plasma è fortemente influenzata dalla presenza del campo. A questo punto, il tradizionale meccanismo della dinamo può prendere il sopravvento e portare i campi ai livelli che si osservano. Pertanto, il loro lavoro rappresenta un modello autoconsistente per la generazione di campi magnetici su scala cosmologica.
La professoressa Ellen Zweibel dell'Università del Wisconsin a Madison osserva che "nonostante decenni di notevoli progressi nella cosmologia, l'origine dei campi magnetici nell'universo rimane sconosciuta. È meraviglioso vedere la teoria della fisica del plasma e la simulazione numerica all'avanguardia affrontato questo problema fondamentale."
Zhou e colleghi continueranno a perfezionare il loro modello e a studiare il passaggio dalla generazione del campo di semina alla fase di amplificazione della dinamo. Una parte importante della loro ricerca futura sarà determinare se il processo può funzionare su una scala temporale coerente con le osservazioni astronomiche. Per citare i ricercatori, "Questo lavoro fornisce il primo passo nella costruzione di un nuovo paradigma per comprendere la magnetogenesi nell'universo". + Esplora ulteriormente
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
