Studiando la dinamica della turbolenza del plasma, i ricercatori del MIT stanno contribuendo a risolvere il mistero delle origini dei campi magnetici
MIT Technology Review Italia
Nell’universo, tutti gli oggetti astrofisici visibili sono incorporati in campi magnetici, in genere molto più deboli di quelli di un magnete da frigorifero, ma dinamicamente significativi nel senso che hanno effetti profondi in ambito dinamico. In ricerche precedenti, gli scienziati sono giunti a comprendere come la turbolenza, il movimento ribollente comune ai fluidi di tutti i tipi, potesse amplificare i campi magnetici preesistenti attraverso la cosiddetta teoria della dinamo. Ma questa scoperta ha solo spostato la questione: da dove viene in primo luogo il campo magnetico iniziale?
La risposta sembra venire dal lavoro di Muni Zoho e Nuno Loureiro del Dipartimento di scienza e ingegneria nucleare del MIT e dai colleghi della Princeton University e dell’Università del Colorado a Boulder, che mostrano come si generi un campo da uno stato completamente non magnetizzato fino al punto in cui è abbastanza forte perché il meccanismo della dinamo prenda il controllo e amplifichi il campo alle grandezze osservate.
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, che sono in grado di pilotare correnti elettriche. Attraverso questo processo di induzione, alla base dell’elettricità, 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. Gli studi sulla propagazione delle onde sismiche, risalenti a oltre un secolo fa, 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 a partire da dinamiche su piccola scala. Ma proprio come in una centrale elettrica, per creare un campo magnetico era necessario un campo magnetico.
Un meccanismo 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, il plasma si può vedere nei fulmini o nelle luci al neon.
Il recente lavoro di Zhou e dei suoi colleghi, pubblicato su “PNAS”, ha eseguito simulazioni numeriche su potenti supercomputer per verificare questa teoria. Il plasma che si trova tra le stelle e le galassie è straordinariamente diffuso, in genere circa una particella per metro cubo. La situazione si presenta molto diversa nell’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.
I calcoli dei 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 non lineari. Estendendo gli effetti dettagliati della dinamica del plasma su piccola scala ai processi astrofisici macroscopici, gli scienziati hanno dimostrato che i primi campi magnetici possono essere prodotti spontaneamente attraverso movimenti generici su larga scala semplici come flussi traslati. Proprio come nel caso degli 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, che potrebbe salire da zero a un livello in cui il plasma è “magnetizzato”. A questo punto, il tradizionale meccanismo della dinamo può prendere il sopravvento e portare i campi ai livelli che si osservano. Il loro lavoro dovrà dimostrare di essere valido su una scala temporale coerente con le osservazioni astronomiche, ma già fornisce, come hanno detto gli autori, “il primo passo nella costruzione di un nuovo paradigma per comprendere la magnetogenesi nell’universo”.
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(rp)
