Dinamo turbolenta: svelato in laboratorio l’universo magnetico

SCOPERTE – Viviamo in un universo altamente magnetico, ma da dove arrivano i suoi campi e come vengono intensificati è stato per lungo tempo un mistero. Sono molte le teorie che spiegano la generazione dei campi magnetici cosmici, ma solo una ha trovato una prima verifica sperimentale. Si tratta della teoria della dinamo turbolenta, secondo cui le turbolenze nel plasma incandescente nelle stelle e nel cuore dei pianeti, ma anche nelle galassie, è in grado di intensificare un debole campo magnetico fino alle magnitudo di quelli osservati nel cosmo. La conferma della teoria si deve ricercatori del Flash Center for Computational Science dell’Università di Chicago, che hanno ricreato questi potenti campi magnetici nei laboratori dell’Omega Laser Facility di Rochester, vicino New York.

Un potente laser e lamine grandi quanto un centesimo di euro sono stati “sufficienti” a ricreare in laboratorio un plasma incandescente e turbolento che ha dimostrato di essere in grado di intensificare un debole campo magnetico fino ai livelli del campo del nostro Sole. Un importante risultato sperimentale dopo decenni di simulazioni numeriche e osservazioni teoriche che è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications dal team guidato da Petros Tzeferacos, ricercatore e professore associate del Flash Center, che ha commentato:

“Ora sappiamo per certo che la dinamo turbolenta esiste ed è uno dei meccanismi che ad oggi è in grado di spiegare al meglio la magnetizzazione dell’universo. Si tratta di qualcosa che speravamo un giorno di conoscere, e ora finalmente conosciamo”.

Ma che cos’è una dinamo? In meccanica, la dinamo produce corrente elettrica dalla rotazione di bobine immerse in un campo magnetico. Nelle teorie astrofisiche, invece, il meccanismo funziona in modo opposto: il moto di fluidi conduttori di elettricità creano e mantengono il campo magnetico. Questo si verifica ogni volta che ci sono dei liquidi o plasmi conduttori, come ad esempio nel nucleo terrestre o nelle stelle. A proporre per primo la teoria all’inizio del XX secolo è stato il fisico Joseph Larmor, che voleva così spiegare il magnetismo della Terra e del Sole. Una proposta che ha acceso decenni di dibattiti scientifici e ricerca.

D’altronde se le simulazioni numeriche hanno dimostrato che il plasma turbolento è in grado di generare campi magnetici pari a quelli osservati in stelle, pianeti e anche galassie, ricreare la dinamo turbolenta in laboratorio si è rivelato decisamente più complicato. L’obiettivo dei ricercatori era quello di ricreare un plasma che abbia temperature e volatilità estremamente alte in grado di produrre una turbolenza sufficiente a piegare, allungare e amplificare il campo magnetico. Per progettare l’esperimento Tzeferacos e colleghi hanno lanciato centinaia di simulazioni bidimensionali e tridimensionali utilizzando il codice FLASH e lanciandolo nel supercomputer Mira dell’Argonne National Laboratory.

Una volta definito il progetto, è stato il momento di metterlo in pratica presso i laboratori dell’OMEGA Laser Facility di Rochester, vicino New York. L’installazione finale prevedeva di far esplodere due fogli di lamina delle dimensioni un centesimo di euro con potenti laser, spingendo poi i due getti di plasma attraverso una griglia e facendoli collidere l’uno con l’altro, ricreando così un moto fluido turbolento. Donald Lamb, professore emerito del Robert A. Millikan Distinguished Service e direttore del Flash Center, ha spiegato:

“Per anni abbiamo sognato di poter fare questo esperimento con i laser, ma solo l’ingegno di questo team lo ha reso possibile. Questo rappresenta un enorme passo avanti per tutti noi”.

Una volta ricreata la dinamo turbolenta, il team ha sviluppato anche due metodi di misurazione dei campi magnetici indotti dal plasma che fossero indipendenti tra di loro. Il primo è la radiografia protonica, recentemente messo a punto proprio dal gruppo di ricerca FLASH, il secondo invece è basato sulla luce polarizzata, che viene utilizzata dagli astronomi già normalmente per misurare i campi magnetici di oggetti celesti distanti.

Entrambi i metodi di misurazione hanno mostrato una crescita in appena pochi nanosecondi da un campo magnetico debole iniziale ad uno di oltre 100 chiloGauss, milioni di volte più potente del campo magnetico terrestre e decine di volte più intenso di quello del Sole. Fausto Cattaneo, professore dell’università di Chicago e co-autore dello studio, ha spiegato:

“Questo risultato ci offre l’opportunità di verificare sperimentalmente idee e concetti sull’origine dei campi magnetici nell’universo che sono stati proposti e studiati solo teoricamente nell’ultimo secolo”.

Aver ricreato una dinamo turbolenta in laboratorio rappresenta per gli scienziati un punto di partenza per studiare non solo come si originano i campi magnetici nell’universo, ma anche aiutare a comprendere quanto velocemente si incrementa la loro intensità e quanto potenti possono diventare, o ancora come lo stesso campo magnetico è in grado di alterare la turbolenza che lo amplifica. Un punto di partenza fondamentale che segna la differenza tra avere delle teorie ben sviluppate e poterle dimostrare in laboratorio e misurare. Uno strumento potente nelle mani degli scienziati, che ora potranno toccare con mano e svelare i segreti del nostro universo magnetico.

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