Il fisico Hantao Ji con figure da carta di riconnessione magnetica. Credito:Elle Starkman/PPPL Office of Communications; collage di Kiran Sudarsanan.
Un processo sconcertante chiamato riconnessione magnetica innesca fenomeni esplosivi in tutto l'universo, creando brillamenti solari e tempeste spaziali che possono bloccare il servizio di telefonia mobile e le reti elettriche. Ora gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno dettagliato una tabella di marcia per districare un aspetto chiave di questo enigma che potrebbe approfondire la conoscenza del funzionamento del cosmo.
La riconnessione converte l'energia del campo magnetico in eruzioni di particelle nei plasmi astrofisici rompendosi e ricollegando in modo esplosivo le linee del campo magnetico, un processo che si verifica all'interno di quelle che vengono chiamate regioni di dissipazione che sono spesso enormemente più piccole delle regioni su cui hanno un impatto.
Campo magnetico stressato
"Al plasma non piace la riconnessione", ha affermato Hantao Ji, fisico PPPL e professore dell'Università di Princeton, primo autore di un articolo che descrive in dettaglio la tabella di marcia in Nature Reviews Physics . "Tuttavia, la riconnessione avviene quando il campo magnetico è sufficientemente sollecitato", ha affermato.
"Le scale di dissipazione sono minuscole mentre le scale astrofisiche sono molto grandi e possono estendersi per milioni di miglia. Trovare un modo per collegare queste scale attraverso un meccanismo multiscala è una chiave per risolvere il puzzle della riconnessione."
La tabella di marcia delinea il ruolo dello sviluppo di tecnologie con capacità multiscala come la Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE), una struttura collaborativa recentemente installata che è in fase di aggiornamento e sonderà aspetti della riconnessione magnetica mai accessibili agli esperimenti di laboratorio. A complemento di questi esperimenti ci saranno le simulazioni sui supercomputer in esascala in arrivo che saranno 10 volte più veloci dei computer attuali. "La speranza è che FLARE e l'exascale computing vadano di pari passo", ha affermato Ji.
La teoria di lavoro proposta dalla tabella di marcia PPPL è che plasmoidi multipli, o isole magnetiche, che derivano dalla riconnessione lungo lunghi fogli di corrente di plasma potrebbero colmare la vasta gamma di scale. Tali plasmoidi corrisponderebbero più strettamente alla regione di riconnessione interessata, con esperimenti di laboratorio multiscala pianificati per fornire i primi test di questa teoria e per valutare ipotesi concorrenti.
"Exascale ci consentirà di eseguire simulazioni più credibili basate su esperimenti FLARE ad alta fedeltà", ha affermato il fisico PPPL Jongsoo Yoo, coautore dell'articolo. L'aumento delle dimensioni e della potenza della nuova macchina (il suo diametro sarà il doppio di quello dell'esperimento di riconnessione magnetica (MRX), l'esperimento di laboratorio di lunga data di PPPL) delle dimensioni di un veicolo sportivo, e consentirà agli scienziati di replicare la riconnessione in natura in modo più fedele .
"FLARE può accedere a regimi astrofisici più ampi rispetto a MRX con più punti di riconnessione e misurare la geometria del campo durante la riconnessione", ha affermato William Daughton, scienziato computazionale presso il Los Alamos National Laboratory e coautore dell'articolo. "Capire questa fisica è importante per prevedere come procede la riconnessione nei brillamenti solari", ha affermato.
Sfida chiave
Una sfida chiave per i prossimi esperimenti sarà l'innovazione di nuovi sistemi diagnostici ad alta risoluzione privi di ipotesi restrittive. Una volta sviluppati, questi sistemi consentiranno a FLARE di basarsi su avvistamenti satellitari come quelli prodotti dalla missione Magnetospheric Multiscale, una flotta di quattro veicoli spaziali lanciati nel 2015 per studiare la riconnessione nella magnetosfera, il campo magnetico che circonda la Terra.
"Il progresso nella comprensione della fisica multiscala dipende in modo critico dall'innovazione e dall'implementazione efficiente di tali sistemi diagnostici nel prossimo decennio", afferma il documento. I nuovi risultati affronteranno domande aperte che includono:
• Come inizia esattamente la riconnessione?
• Come vengono riscaldate e accelerate le particelle di plasma esplosivo?
• Che ruolo gioca la riconnessione nei processi correlati come turbolenze e shock spaziali?
Nel complesso, "Il documento delinea piani per fornire all'intera comunità di fisica spaziale e astrofisica metodi per risolvere il problema multiscala", ha affermato Yoo. Una tale soluzione segnerebbe un passo importante verso una comprensione più completa della riconnessione magnetica nei grandi sistemi dell'universo. + Esplora ulteriormente
