Tempeste solari, NASA risolve il mistero di 60 anni di esplosioni magnetiche veloci

In pochi minuti, un bagliore sul Sole può rilasciare energia sufficiente per alimentare il mondo intero per 20.000 anni. Un processo esplosivo chiamato riconnessione magnetica innesca questi brillamenti solari e gli scienziati hanno trascorso l’ultimo mezzo secolo cercando di capire come avviene il processo.  Non è solo una curiosità scientifica:

una comprensione più completa della riconnessione magnetica potrebbe consentire approfondimenti sulla fusione nucleare e fornire migliori previsioni delle tempeste di particelle dal Sole che possono influenzare la tecnologia in orbita attorno alla Terra. Ora, gli scienziati con la Magnetospheric Multiscale Mission, o MMS, della NASA, pensano di averlo capito. Gli scienziati hanno sviluppato una teoria che spiega come avviene il tipo più esplosivo di riconnessione magnetica, chiamata riconnessione rapida, e perché avviene a una velocità costante. La nuova teoria utilizza un effetto magnetico comune che viene utilizzato nei dispositivi domestici, come i sensori che cronometrano i sistemi di frenatura antibloccaggio del veicolo e sanno quando la cover di un telefono cellulare è chiusa.

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“Finalmente capiamo cosa rende questo tipo di riconnessione magnetica così veloce”, ha affermato l’autore principale del nuovo studio Yi-Hsin Liu, professore di fisica al Dartmouth College nel New Hampshire e vice capo del team di teoria e modellizzazione dell’MMS. “Ora abbiamo una teoria per spiegarlo completamente”. La riconnessione magnetica è un processo che si verifica nel plasma, a volte chiamato quarto stato della materia. Il plasma si forma quando un gas è stato energizzato a sufficienza da rompere i suoi atomi, lasciando una moltitudine di elettroni caricati negativamente e ioni caricati positivamente esistenti fianco a fianco. Questo materiale energico e fluido è squisitamente sensibile ai campi magnetici. Dai bagliori del Sole, allo spazio vicino alla Terra, ai buchi neri, i plasmi in tutto l’universo subiscono una riconnessione magnetica, che converte rapidamente l’energia magnetica in calore e accelerazione. Sebbene esistano diversi tipi di riconnessione magnetica, una variante particolarmente sconcertante è nota come riconnessione rapida, che si verifica a una velocità prevedibile. Sappiamo da tempo che la rapida riconnessione avviene a una certa velocità che sembra essere piuttosto costante”, ha affermato Barbara Giles, scienziata del progetto per l’MMS e ricercatrice presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “Ma cosa guida davvero quel tasso è stato un mistero, fino ad ora.”

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La nuova ricerca, pubblicata in un articolo sulla rivista Nature’s Communications Physics e finanziata in parte dalla National Science Foundation, spiega quanto la riconnessione rapida avvenga specificamente nei plasmi senza collisioni, un tipo di plasma le cui particelle sono sufficientemente distribuite da impedire alle singole particelle scontrarsi tra loro. Laddove avviene la riconnessione nello spazio, la maggior parte del plasma si trova in questo stato senza collisioni, incluso il plasma nei brillamenti solari e lo spazio intorno alla Terra. La nuova teoria mostra come e perché una rapida riconnessione è probabilmente accelerata dall’effetto Hall, che descrive l’interazione tra campi magnetici e correnti elettriche. L’effetto Hall è un fenomeno magnetico comune utilizzato nella tecnologia quotidiana, come i sensori di velocità delle ruote dei veicoli e le stampanti 3D, in cui i sensori misurano velocità, prossimità, posizionamento o correnti elettriche. Durante la rapida riconnessione magnetica, le particelle cariche in un plasma, ovvero ioni ed elettroni, smettono di muoversi come gruppo. Quando gli ioni e gli elettroni iniziano a muoversi separatamente, danno origine all’effetto Hall, creando un vuoto di energia instabile in cui avviene la riconnessione. La pressione dei campi magnetici attorno al vuoto di energia fa implodere il vuoto, che rilascia rapidamente immense quantità di energia a una velocità prevedibile.

Questa visualizzazione mostra l'effetto Hall, che si verifica quando il movimento degli ioni più pesanti (blu) si disaccoppia dagli elettroni più leggeri (rossi) mentre entrano nella regione con forti correnti elettriche (regione dorata).
Questa visualizzazione mostra l’effetto Hall, che si verifica quando il movimento degli ioni più pesanti (blu) si disaccoppia dagli elettroni più leggeri (rossi) mentre entrano nella regione con forti correnti elettriche (regione dorata).
Crediti: Tom Bridgman/Studio di visualizzazione scientifica della NASA

 

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La nuova teoria sarà testata nei prossimi anni con l’MMS, che utilizza quattro veicoli spaziali fatti volare intorno alla Terra in una formazione piramidale per studiare la riconnessione magnetica in plasmi senza collisioni. In questo laboratorio spaziale unico, l’MMS può studiare la riconnessione magnetica a una risoluzione maggiore di quella che sarebbe possibile sulla Terra. In definitiva, se riusciamo a capire come funziona la riconnessione magnetica, allora possiamo prevedere meglio gli eventi che possono avere un impatto sulla Terra, come tempeste geomagnetiche e brillamenti solari”, ha detto Giles. “E se riusciamo a capire come viene avviata la riconnessione, aiuterà anche la ricerca energetica perché i ricercatori potrebbero controllare meglio i campi magnetici nei dispositivi di fusione”.

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Fonti:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/sun/scientists-nasa-mms-mission-crack-60-year-mystery-fast-magnetic-explosions

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http://svs.gsfc.nasa.gov/4987

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