Misteriosa Accelerazione Degli Elettroni Finalmente Spiegata

Illustrazione della magnetosfera terrestre in relazione al vento solare. (Le distanze e grandezze sono ovviamente falsate). Credit: CNR

Un misterioso fenomeno rilevato dalle sonde spaziali è stato finalmente spiegato grazie ad una massiccia simulazione computerizzata che è riuscita ad allineare i propri risultati don i dettagli delle osservazioni fatte dalle sonde. La scoperta potrebbe non solo finalmente risolvere un vecchio puzzle astrofisico ma anche portare ad una migliore capacità di predire i flussi elettronici ad alta energia nello spazio, che potrebbero danneggiare satelliti o missioni umane. Jan Egedal, professore associato di fisica presso il MIT e ricercatore presso il Plasma Science and Fusion Center, insieme ai studenti dottorandi Ari Le e William Daughton del Los Alamos National Laboratory, hanno pubblicato le loro scoperte il 26 Febbraio 2012 sul giornale Nature Physics.

Egedal ha inizialmente proposto una teoria per spiegare questa accelerazione di elettroni su larga scala che avveniva nella coda magnetica della Terra (un campo magnetico vasto ed intenso che si allunga dietro la Terra, spinto dal vento solare) ma fino a quando non sono stati ottenuti i nuovi dati dalla simulazione computerizzata "le persone dicevano che è un'idea folle" ha spiegato Egedal. Grazie ai nuovi dati però "non succede più".

La simulazione mostra che la regione attiva della coda magnetica della Terra, dove avvengono gli eventi di "riconnessione" nel campo magnetico, è circa 1.000 volte più grande di quanto si pensava precedentemente. Questo significa che il volume di spazio energizzato da questi eventi magnetici è sufficiente per spiegare il grande numero di elettroni ad alta energia rilevati dalle missioni spaziali come Cluster.

Risolvere il problema ha richiesto un'enorme quantità di potenza da diversi dei più avanzati supercomputer al mondo, presso il National Institute for Computational Science all'Oak Ridge National Laboratory. Il computer usato maggiormente, chiamato Kraken, ha 112.000 processori che lavorano in parallelo e consumano tanta elettricità quanto un piccolo paesino. Questo studio ha usato 25.000 di questi processori per 11 giorni consecutivi per studiare il movimento di 180 miliardi di particelle simulate nello spazio virtuale, nel corso di un evento di riconnessione magnetica. La simulazione è stata eseguita usando un per fisica del plasma sviluppato presso il LANL, che rigorosamente analizza l'evoluzione della riconnessione magnetica.

Egedal spiega che man mano che il vento solare piega ed allunga le linee del campo magnetico della Terra, il campo stesso conserva l'energia come una banda di gomma che viene piegata. Quando le linee parallele improvvisamente si riconnettono, rilasciano tutta insieme tutta l'energia che avevano conservato, come quando si rilascia una banda di gomma piegata. Questo rilascio di energia è la cosa ce spinge gli elettroni con energie maggiori (decine di migliaia di volt)indietro fino alla Terra, dove impattano con l'atmosfera superiore. L'impatto genera quelle che chiamiamo l'aurora boreale e australe, nelle zone intorno alle regioni polari.

Quello che è stato sempre un grande mistero per i fisici è il numero di elettroni energetici generati in simili eventi. Secondo la teoria, dovrebbe essere impossibile sostenere un campo elettrico lungo la direzione delle linee del campo magnetico perché il plasma (gas elettricamente carico) nella coda magnetica dovrebbe essere un conduttore quasi perfetto. Ma un simile campo è esattamente cosa serve per accelerare gli elettroni. E, secondo la nuova simulazione, il volume di spazio dove questi elettroni possono accumularsi, potrebbe infatti essere almeno 1.000 volte più grande di quanto i teorici avevano pensato fosse possibile, e quindi sarebbe abbastanza grande per spiegare il numero di elettroni osservati.

"Avevamo pensato che questa regione fosse piccola" ha spiegato Egedal. Ma adesso, "analizzando i dati delle missioni spaziali e facendo una simulazione, abbiamo mostrato che può in realtà essere molto grande, e può accelerare moltissimi elettroni." Come risultato "per la prima volta, possiamo riprodurre in simulazione le osservazioni fatte dalla missione Cluster."

La missione Cluster, della ESA, consiste in 4 identiche navicelle che volano in formazione ad un'altezza tra 19.000 e 119.000 km sopra la Terra per studiare l'interazione tra vento solare e la magnetosfera della Terra in 3D. Credit: ESA

La scoperta di questo fenomeno è di grande importanza perché, tra le altre cose, questi elettroni carichi potrebbero distruggere le nostre navicelle spaziali.
Un'altra cosa interessante che viene fuori da quest'indagine è che quest'analisi era specifica ad un fenomeno presente nella coda magnetica della Terra, ma Egedal spiega che simili fenomeni potrebbero avvenire anche in regioni molto diverse di plasma magnetizzato, come le espulsioni di massa coronale che il Sole rilascia nello spazio e che occupano regioni fino a 10.000 volte più grandi. Ma potrebbe valre anche per regioni vicino alle pulsar o altri oggetti ad alta energia nello spazio profondo, che sono ancor più grandi. In futuro, Egedal spera di poter fare delle simulazioni più dettagliate della corona solare e delle espulsioni di massa coronale. "Pensiamo di poter migliorare per fare quel tipo di simulazioni".

Michael Brown, professore di fisica presso il Swarthmore College, non è stato coinvolto nella ricerca ma l'ha commentata dicendo che Egedal "sta emergendo come un vero leader nel campo delle osservazioni e degli esperimenti astronomici per quanto riguarda la riconnessione magnetica" ed il suo co-autore, Daughton "è l'attuale leader riconosciuto per quanto riguarda le simulazioni sul comportamento del plasma". Questo nuovo risultato "è molto significativo, e penso che sia anche sorprendente per il resto della comunità, e penso che questo nuovo quadro sarà man mano sempre più accettato e dobbiamo andare oltre" l'attuale conoscenza dei plasma.

http://web.mit.edu/newsoffice/2012/plasma-phenomenon-explained-0227.html

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