Un campo magnético dipolo, creado por una corriente anular, es el tipo de campo magnético más fundamental que se encuentra tanto en los laboratorios como en el espacio. Las magnetosferas planetarias, como la de Júpiter, confinan efectivamente el plasma.

El proyecto RT-1 tiene como objetivo aprender de la naturaleza y crear un plasma de alto rendimiento de tipo magnetosfera para realizar energía de fusión avanzada. Al mismo tiempo, la magnetosfera artificial ofrece un medio para comprender experimentalmente los mecanismos de los fenómenos naturales en un entorno simplificado y controlado.

El Ring Trap-1 (RT-1) es un aparato experimental ubicado en la Universidad de Tokio. Utilizando tecnología superconductora de alta temperatura, una bobina de campo dipolo levita magnéticamente, lo que permite realizar experimentos con plasma en un entorno cercano al de la magnetosfera planetaria.

La emisión de coro en modo silbato, observada en el espacio que rodea la Tierra, conocido como "Geoespacio", es un fenómeno importante relacionado con las auroras y el clima espacial. La emisión de coro se ha investigado activamente principalmente mediante observaciones de naves espaciales, estudios teóricos y simulaciones numéricas.

Si bien las naves espaciales son herramientas poderosas para estudiar el entorno espacial real, la magnetosfera planetaria es un sistema enorme y complejo que es difícil de comprender en su totalidad. Además, no es fácil para los seres humanos manipular el entorno espacial.

Por el contrario, los entornos de laboratorio nos permiten crear un objeto de investigación simplificado que se extrae de las complejas propiedades de la naturaleza en un entorno controlado. Por lo tanto, se espera que los estudios experimentales desempeñen un papel complementario en la observación y teoría de la comprensión de las emisiones de coro. Sin embargo, no es sencillo crear un entorno magnetosférico en el laboratorio. Hasta ahora nunca se han realizado experimentos de laboratorio sobre emisiones de coro en un campo magnético dipolo magnetosférico.

Un equipo de investigación del Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión en Toki, Japón, y la Escuela de Graduados en Ciencias Fronterizas de la Universidad de Tokio en Kashiwa, Japón, ha realizado con éxito estudios de laboratorio sobre la emisión de coro en modo silbato utilizando el dispositivo RT-1. Esta "magnetosfera artificial" tiene una bobina superconductora levitada magnéticamente para crear un campo magnético dipolo de tipo magnetosfera planetaria en el laboratorio.

Utilizando tecnología superconductora de alta temperatura, una bobina de 110 kg se hace levitar magnéticamente en un recipiente de vacío y el campo magnético generado confina el plasma. Esta configuración única permite el funcionamiento sin ninguna estructura mecánica de soporte para la bobina, lo que hace posible generar plasma en un entorno similar al de una magnetosfera planetaria, incluso dentro de una instalación terrestre.

En este estudio, el equipo de investigación llenó el recipiente de vacío del RT-1 con gas hidrógeno e inyectó microondas para crear plasma de hidrógeno de alto rendimiento, principalmente calentando electrones.

En los experimentos se generaron plasmas en distintos estados y se realizaron investigaciones sobre la generación de ondas. En consecuencia, se observó una producción espontánea de la emisión del coro de ondas de silbato cuando el plasma contenía una proporción considerable de electrones de alta temperatura.

También se tomaron medidas de la fuerza y ​​frecuencia de la emisión de coro del plasma, centrándose en su densidad y el estado de los electrones de alta temperatura.

Los hallazgos, publicados en Nature Communications , reveló que la generación de una emisión de coro es impulsada por un aumento de electrones de alta temperatura, responsables de la presión del plasma. Además, el aumento de la densidad general del plasma tuvo el efecto de suprimir la generación de la emisión del coro.

A través de este estudio, se aclaró que la emisión de coro es un fenómeno universal que ocurre en plasma con electrones de alta temperatura en un campo magnético dipolo simple. Las propiedades reveladas en el experimento, incluidas las condiciones de apariencia y la propagación de ondas, pueden mejorar nuestra comprensión de la emisión de coro y los fenómenos relacionados observados en el geoespacio.

Las ondas electromagnéticas de una emisión de coro tienen el potencial de acelerar aún más los electrones calientes a estados de mayor energía, lo que lleva a la formación de auroras y fallas de satélites. Estas ondas electromagnéticas, junto con las partículas energéticas, desempeñan un papel crucial en los fenómenos meteorológicos espaciales.

En el geoespacio, cuando se producen eventos explosivos (llamaradas) en la superficie solar, dan lugar a tormentas magnéticas, provocando grandes fluctuaciones en el campo electromagnético y generando grandes cantidades de partículas energéticas. Esto no solo causa fallas en los satélites y afecta la capa de ozono, sino que también interrumpe las redes de energía y comunicación en tierra.

Con la expansión de la actividad humana actual, comprender los fenómenos meteorológicos espaciales se ha vuelto cada vez más importante. Sin embargo, numerosos mecanismos y fenómenos en este ámbito siguen sin resolverse. Se espera que el resultado de este estudio contribuya a una mejor comprensión de los mecanismos detrás de los diversos fenómenos meteorológicos espaciales.

En el campo del plasma de fusión, que pretende en última instancia resolver problemas energéticos, la pérdida de partículas y la formación de estructuras debido a la interacción con las ondas es uno de los temas centrales de investigación. Una comprensión precisa de las complejas interacciones entre las ondas excitadas espontáneamente y el plasma es esencial para lograr la fusión.

Los fenómenos ondulatorios con variaciones de frecuencia se han observado ampliamente en plasmas de fusión de alta temperatura, lo que indica la existencia de un mecanismo físico compartido con la emisión de coro.

Los hallazgos de este estudio representan un paso adelante en la comprensión de los fenómenos físicos comunes que se encuentran tanto en los plasmas de fusión como en los espaciales. Se prevé que la investigación futura avance aún más con una mayor cooperación entre estos dos campos.>

Las ondas de Whistler son una de las ondas fundamentales que se propagan en el plasma. En las emisiones de coro observadas alrededor del geoespacio y Júpiter, ocurren repetidamente eventos de fluctuación con variaciones de frecuencia similares al canto de los pájaros. Se cree que están estrechamente relacionados con las auroras y los fenómenos meteorológicos espaciales, como la producción y el transporte de electrones de alta energía.

Más información: Haruhiko Saitoh et al, Estudio experimental sobre la emisión de coros en una magnetosfera artificial, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44977-x

Proporcionado por los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales