Introduzione
Durante gli attacchi fugaci, il sole lancia occasionalmente una quantità colossale di energia nello spazio. Chiamate eruzioni solari, queste eruzioni durano pochi minuti e possono innescare blackout catastrofici e aurore abbaglianti sulla Terra. Ma le nostre principali teorie matematiche su come funzionano questi brillamenti non riescono a prevedere la forza e la velocità di ciò che osserviamo.
Al centro di queste esplosioni c’è un meccanismo che converte l’energia magnetica in potenti esplosioni di luce e particelle. Questa trasformazione è catalizzata da un processo chiamato riconnessione magnetica, in cui i campi magnetici in collisione si rompono e si riallineano istantaneamente, lanciando materiale nel cosmo. Oltre ad alimentare i brillamenti solari, la riconnessione può alimentare il veloce, particelle ad alta energia espulso dalle stelle che esplodono, il bagliore di getti provenienti da buchi neri banchettanti, e il vento costante soffiato dal sole.
Nonostante l’ubiquità del fenomeno, gli scienziati hanno faticato a capire come funzioni in modo così efficiente. UN teoria recente propone che quando si tratta di risolvere i misteri della riconnessione magnetica, la fisica minuscola gioca un ruolo importante. In particolare, spiega perché alcuni eventi di riconnessione sono così sorprendentemente veloci – e perché i più forti sembrano verificarsi a una velocità caratteristica. Comprendere i dettagli microfisici della riconnessione potrebbe aiutare i ricercatori a costruire modelli migliori di queste eruzioni energetiche e a dare un senso ai capricci cosmici.
"Finora, questa è la migliore teoria che posso vedere", ha detto Hantao Ji, un fisico del plasma dell'Università di Princeton che non è stato coinvolto nello studio. "È un grande risultato."
Armeggiare con i liquidi
Quasi tutta la materia conosciuta nell'universo esiste sotto forma di plasma, una zuppa infuocata di gas dove le temperature infernali hanno ridotto gli atomi in particelle cariche. Mentre sfrecciano, queste particelle generano campi magnetici, che poi guidano i movimenti delle particelle. Questa interazione caotica crea un disordine di linee di campo magnetico che, come elastici, immagazzinano sempre più energia mentre vengono allungate e attorcigliate.
Negli anni ’1950, gli scienziati proposero una spiegazione per come i plasmi espellono la loro energia repressa, un processo che venne chiamato riconnessione magnetica. Quando le linee del campo magnetico che puntano in direzioni opposte si scontrano, possono spezzarsi e collegarsi tra loro, lanciando particelle come una fionda a doppia faccia.
Ma questa idea era più vicina a un dipinto astratto che a un modello matematico completo. Gli scienziati volevano comprendere i dettagli di come funziona il processo: gli eventi che influenzano lo schiocco, il motivo per cui viene liberata così tanta energia. Ma la confusa interazione tra gas caldo, particelle cariche e campi magnetici è difficile da domare matematicamente.
Il primo quantitativo teoria, descritto nel 1957 dagli astrofisici Peter Sweet e Eugene Parker, tratta i plasmi come fluidi magnetizzati. Ciò suggerisce che le collisioni di particelle con carica opposta attirano linee di campo magnetico e innescano una catena incontrollata di eventi di riconnessione. La loro teoria prevede inoltre che questo processo avvenga a un ritmo particolare. I tassi di riconnessione osservati in plasmi relativamente deboli, forgiati in laboratorio, corrispondono alla loro previsione, così come i tassi di getti più piccoli negli strati inferiori dell’atmosfera solare.
Ma i brillamenti solari rilasciano energia molto più rapidamente di quanto la teoria di Sweet e Parker possa spiegare. Secondo i loro calcoli, questi bagliori dovrebbero svilupparsi nell’arco di mesi anziché di minuti.
Più recentemente, osservazioni della NASA satelliti magnetosferici hanno identificato questa riconnessione più rapida che avviene ancora più vicino a casa, nel campo magnetico della Terra. Queste osservazioni, insieme alle prove di decenni di simulazioni al computer, confermano questo tasso di riconnessione “rapido”: nei plasmi più energetici, la riconnessione avviene a circa il 10% della velocità con cui si propagano i campi magnetici – ordini di grandezza più veloci di quanto previsto dalla teoria di Sweet e Parker. .
Il tasso di riconnessione del 10% è osservato così universalmente che molti scienziati lo considerano “il numero dato da Dio”, ha affermato Alisa Galishnikova, ricercatore a Princeton. Ma invocare il divino fa ben poco per spiegare cosa rende la riconnessione così veloce.
Il numero di Dio
Negli anni ’1990, i fisici abbandonarono il trattamento del plasma come fluidi, che si era rivelato troppo semplicistico. Ingrandita, una zuppa magnetizzata è in realtà composta da singole particelle. E il modo in cui queste particelle interagiscono tra loro fa una differenza cruciale.
"Quando si arriva alle microscale, la descrizione del fluido inizia a crollare", ha detto Amitava Bhattacharjee, un fisico del plasma a Princeton. “L’immagine [microfisica] contiene cose che l’immagine fluida non potrà mai catturare”.
Negli ultimi due decenni, i fisici hanno sospettato che un fenomeno elettromagnetico noto come effetto Hall potrebbe contenere il segreto per una rapida riconnessione: gli elettroni caricati negativamente e gli ioni caricati positivamente hanno masse diverse, quindi viaggiano lungo le linee del campo magnetico a velocità diverse. Questo differenziale di velocità genera una tensione tra le cariche separate.
Nel 2001, Bhattacharjee e i suoi colleghi ha mostrato che solo i modelli che includevano l'effetto Hall producevano tassi di riconnessione adeguatamente rapidi. Ma esattamente come quella tensione producesse il magico 10% rimaneva un mistero. "Non ci ha mostrato il 'come' e il 'perché'", ha detto Yi-Hsin Liu, un fisico del plasma al Dartmouth College.
Introduzione
Ora, in due articoli teorici recentemente pubblicati, Liu e colleghi hanno tentato di fornire maggiori dettagli.
I prima carta, pubblicato in Fisica delle comunicazioni, descrive come la tensione induce un campo magnetico che allontana gli elettroni dal centro delle due regioni magnetiche in collisione. Questa deviazione produce un vuoto che risucchia nuove linee di campo e le pizzica al centro, consentendo alla fionda magnetica di formarsi più rapidamente.
"Quella foto ci è mancata... [ma] ci fissava in faccia", ha detto Jim Drake, un fisico del plasma presso l'Università del Maryland. "Questo è il primo argomento convincente che abbia mai visto."
Nel secondo foglio, pubblicato in Physical Review Letters, Liu e il suo assistente di ricerca universitario Matthew Goodbred descrivono come lo stesso effetto del vuoto emerge in plasmi estremi contenenti ingredienti diversi. Intorno ai buchi neri, ad esempio, si pensa che il plasma sia costituito da elettroni e positroni altrettanto massicci, quindi l’effetto Hall non si applica più. Eppure, “magicamente, la riconnessione funziona ancora in modo simile”, ha detto Liu. I ricercatori propongono che all’interno di questi campi magnetici più forti, la maggior parte dell’energia viene spesa per accelerare le particelle anziché riscaldarle, creando ancora una volta un abbassamento di pressione che produce il tasso divino del 10%.
"In teoria è una pietra miliare importante", ha detto Lorenzo Sironi, un astrofisico teorico della Columbia University che lavora su simulazioni al computer di getti di plasma ad alta energia. "Questo ci dà fiducia... che ciò che vediamo nelle nostre simulazioni non è pazzesco."
Raccolta di particelle
Gli scienziati non possono modellare ogni singola particella in simulazioni di plasma su larga scala. Ciò produrrebbe miliardi di terabyte di dati e richiederebbe centinaia di anni per essere completato, anche utilizzando i supercomputer più avanzati. Ma i ricercatori hanno recentemente capito come trattare un sistema così ingombrante come un insieme di particelle più piccolo e più gestibile.
Per studiare l’importanza di considerare le singole particelle, Galishnikova e colleghi hanno confrontato due simulazioni di un buco nero in accrescimento: una tratta il plasma come un fluido omogeneo e l’altra getta nella miscela circa un miliardo di particelle. I loro risultati, pubblicato a marzo in Physical Review Letters, mostrano che l'incorporazione della microfisica porta a immagini nettamente diverse dei brillamenti di un buco nero, delle accelerazioni delle particelle e delle variazioni di luminosità.
Ora, gli scienziati sperano che i progressi teorici come quello di Liu portino a modelli di riconnessione magnetica che riflettano più accuratamente la natura. Ma mentre la sua teoria mira a risolvere il problema del tasso di riconnessione, non spiega perché alcune linee di campo si scontrano e innescano la riconnessione ma non altre. Inoltre, non descrive come l’energia in uscita viene suddivisa in getti, calore e raggi cosmici – o come tutto ciò funziona in tre dimensioni e su scale più grandi. Tuttavia, il lavoro di Liu mostra come, nelle giuste circostanze, la riconnessione magnetica possa essere sufficientemente efficiente da provocare esplosioni celesti effimere ma violente.
"Devi rispondere alla domanda 'perché': questa è una parte cruciale per andare avanti con la scienza", ha detto Drake. "Avere la certezza di aver compreso il meccanismo ci dà una capacità molto migliore di cercare di capire cosa sta succedendo."
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