La turbulencia magnetohidrodinámica regula la transferencia de energía de escalas grandes a pequeñas en muchos sistemas astrofísicos, incluida la atmósfera solar. Durante más de medio siglo, se ha aceptado ampliamente que la cascada de energía en los plasmas turbulentos, como la atmósfera del Sol, está controlada por interacciones de ondas MHD.
En un nuevo estudio, científicos del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) Laboratorio de física de plasma de Princeton (PPPL) descubrió un proceso de calentamiento previamente oculto que ayuda a explicar cómo la "corona solar" puede ser mucho más caliente que la superficie solar que lo emite.
Utilizando 200 millones de horas de tiempo de computadora para la simulación más grande de su tipo jamás, los científicos pudieron revelar el proceso. Su simulación numérica directa es la primera en identificar este mecanismo de calentamiento en el espacio 3D.
Chuanfei Dong, físico de PPPL y la Universidad de Princeton, dijo: "Es posible que los instrumentos actuales de telescopios y naves espaciales no tengan una resolución suficientemente alta para identificar el proceso que ocurre a pequeña escala".
El proceso conocido como reconexión magnética, que divide y reúne violentamente los campos magnéticos en plasma (la sopa de electrones y núcleos atómicos que constituye la atmósfera solar), es el ingrediente secreto. Fue demostrado por el modelo de Dong de cuán rápido el campo magnético Las líneas se reconectaron, convirtiendo la energía caótica a gran escala en energía interna a pequeña escala. Debido a esta conversión eficiente de energía turbulenta en energía térmica a escalas diminutas, el corona se calienta efectivamente.
Dong dijo, “Piense en poner crema en el café. Las gotas de crema pronto se convierten en espirales y rizos finos. De manera similar, los campos magnéticos forman finas láminas de corriente eléctrica que se rompen debido a la reconexión magnética. Este proceso facilita la cascada de energía de gran escala a pequeña escala, haciendo el proceso más eficiente en el corona solar turbulenta de lo que se pensaba anteriormente”.
“Cuando el proceso de reconexión es lento mientras la cascada turbulenta es rápida, la reconexión no puede afectar la transferencia de energía entre escalas. Pero cuando la tasa de reconexión se vuelve lo suficientemente rápida como para exceder la tasa de cascada tradicional, la reconexión puede hacer avanzar la cascada hacia pequeñas escalas de manera más eficiente”.
“Lo hace rompiendo y uniendo las líneas del campo magnético para generar cadenas de pequeñas líneas retorcidas llamadas plasmoides. Esto cambia la comprensión de la cascada de energía turbulenta que ha sido ampliamente aceptada durante más de medio siglo. El nuevo hallazgo vincula la tasa de transferencia de energía con la rapidez con la que plasmoides crecer, mejorando la transferencia de energía de escalas grandes a pequeñas y calentando fuertemente la corona en estas escalas”.
El descubrimiento más reciente muestra un régimen con un número de Reynolds magnético similar a la corona solar que es sin precedentes. El enorme número caracteriza la alta tasa de transferencia de energía de la cascada turbulenta. La transferencia de energía impulsada por la reconexión es más efectiva cuanto mayor es el número de Reynolds magnético.
La simulación es única en su tipo y ha utilizado más de 200 millones de CPU de computadora en las instalaciones de Supercomputación Avanzada (NAS) de la NASA.
El físico del PPPL, Amitava Bhattacharjee, profesor de ciencias astrofísicas de Princeton que supervisó la investigación, dijo, "Este experimento numérico ha producido por primera vez evidencia indiscutible de un mecanismo teóricamente predicho para un rango de cascada de energía turbulenta previamente no descubierto controlado por el crecimiento de los plasmoides".
“El impacto de este hallazgo en los sistemas astrofísicos en varias escalas se puede explorar con naves espaciales y telescopios actuales y futuros. Analizar el proceso de transferencia de energía a través de escalas será crucial para resolver misterios cósmicos clave”.
Referencia de la revista:
- Chuanfei Dong et al. Cascada de energía impulsada por reconexión en turbulencia magnetohidrodinámica. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
