Un getto di argon si propaga “avvitandosi” nel vuoto (kink instability). Si possono apprezzare lungo la spirale anche le increspature di Rayleigh-Taylor, il cui rafforzamento porta alla riconnessione magnetica. (Cortesia: A.L. Moser/P.M. Bellan/Caltech)
Dalle stelle al laboratorio
di Andrea Signori
Una ricerca svolta al Caltech getta nuova luce sul meccanismo di formazione dei flare, i poderosi scoppi di energia liberati dal Sole responsabili delle “tempeste” che (come è accaduto anche di recente) investono il nostro pianeta (scombussolando qualche apparato elettronico).
Il meccanismo con cui le stelle emettono getti di plasma nello spazio circostante è noto come riconnessione magnetica, ovvero la rottura e il conseguente ricongiungimento delle linee di forza del campo magnetico. La ricerca, descritta in un articolo su “Nature” http://www.nature.com/nature/journal/v482/n7385/full/nature10827.html lo scorso 16 febbraio, consiste in una riproduzione in laboratorio di plasmi simili a quelli stellari e indica come principale responsabile della rottura delle linee il meccanismo di Rayleigh-Taylor.
Proprio come farebbe un elastico troppo stiracchiato, le linee del campo magnetico stellare possono “spezzarsi” a causa di condizioni fisiche estreme. Avendo il campo magnetico divergenza nulla, esso non può avere sorgenti (punti da cui “escono” le linee di forza). Pertanto a ogni rottura di una linea corrisponde un’immediata “riconnessione magnetica” tra due linee “spezzate”.
Paul Bellan, professore di fisica applicata presso la Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate del Caltech, e Auna Moser, studentessa di dottorato, hanno sparato getti di idrogeno, azoto e argon allo stato di plasma nel vuoto con velocità tra 10 e 50 chilometri al secondo lungo una distanza di circa 20 centimetri. In questo modo hanno cercato di simulare in laboratorio le condizioni fisiche estreme proprie dei plasmi stellari in cui le riconnessioni magnetiche sono molto frequenti. I due studiosi hanno realizzato numerosi fotogrammi dell’evoluzione dei getti utilizzando fotocamere con tempi di esposizione dell’ordine del microsecondo. Così facendo hanno osservato il susseguirsi di due fenomeni, finora ritenuti fisicamente indipendenti.
In primo luogo si è manifestata l’evoluzione “a cavatappi” del jet: la forza di Lorentz tra i costituenti del plasma induce una caratteristica torsione, nota come kink instability. Inoltre, osservando il comportamento del jet su una scala spaziale inferiore, i due scienziati hanno avuto una gradita sorpresa: lungo le spirali del jet a cavatappi” sono comparse arricciature e frastagliature, le tracce della cosiddetta instabilità di Rayleigh-Taylor. Questa si instaura, per esempio, quando un fluido “pesante” preme sopra un altro fluido più “leggero”: i bordi all’interfaccia tra i due si frastagliano, permettendo loro di scambiarsi la rispettiva posizione. In effetti il concetto è analogo a quello già descritto per i fluidi: nella loro evoluzione spiraliforme, i getti di plasma “premono” sul vuoto circostante. Pertanto le spirali si increspano favorendo, come mostrano le foto e i video realizzati dagli scienziati del Caltech, la rottura delle linee di campo magnetico e la conseguente riconnessione. Sebbene non possa essere considerato un meccanismo universale per la generazione dei flare, la combinazione tra questi due tipi di instabilità è di sicuro fisicamente plausibile in molti casi, naturali e artificiali (ad esempio nei plasmi generati per la fusione termonucleare controllata in laboratorio).
Moser, A., & Bellan, P. (2012). Magnetic reconnection from a multiscale instability cascade Nature, 482 (7385), 379-381 DOI: 10.1038/nature10827 http://dx.doi.org/10.1038/nature10827
Fonte: http://www.stukhtra.it/?p=7990