Científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad de Princeton han propuesto una solución innovadora a un misterio que ha desconcertado a los físicos durante décadas. La cuestión es cómo la reconexión magnética, un proceso universal que desencadena erupciones solares, auroras boreales y estallidos de rayos gamma cósmicos, ocurre mucho más rápido de lo que la teoría dice que debería ser posible. La respuesta podría ayudar a los pronósticos de tormentas espaciales, explicar varios fenómenos astrofísicos de alta energía, y mejorar el confinamiento del plasma en dispositivos magnéticos en forma de rosquilla llamados tokamaks diseñados para obtener energía de la fusión nuclear.

La reconexión magnética tiene lugar cuando las líneas del campo magnético incrustadas en un plasma, las calientes, gas cargado que constituye el 99 por ciento del universo visible:convergen, separarse y volver a conectarse explosivamente. Este proceso tiene lugar en láminas delgadas en las que la corriente eléctrica está fuertemente concentrada.

Según la teoría convencional, Estas láminas pueden alargarse mucho y limitar gravemente la velocidad de las líneas del campo magnético que se unen y se separan. haciendo imposible la reconexión rápida. Sin embargo, La observación muestra que existe una reconexión rápida, contradiciendo directamente las predicciones teóricas.

Teoría detallada para la reconexión rápida

Ahora, Los físicos de PPPL y de la Universidad de Princeton han presentado una teoría detallada del mecanismo que conduce a la reconexión rápida. Su papel publicado en la revista Física de Plasmas en octubre, se centra en un fenómeno llamado "inestabilidad plasmoide" para explicar el inicio del rápido proceso de reconexión. El apoyo para esta investigación proviene de la National Science Foundation y la Oficina de Ciencias del DOE.

Inestabilidad plasmoide, que rompe las hojas de corriente de plasma en pequeñas islas magnéticas llamadas plasmoides, ha generado un interés considerable en los últimos años como posible mecanismo de reconexión rápida. Sin embargo, La identificación correcta de las propiedades de la inestabilidad ha sido difícil de alcanzar.

El artículo de Physics of Plasmas aborda este tema crucial. Presenta "una teoría cuantitativa para el desarrollo de la inestabilidad plasmoide en láminas de corriente de plasma que pueden evolucionar con el tiempo", dijo Luca Comisso, autor principal del estudio. Los coautores son Manasvi Lingam y Yi-Ming Huang de PPPL y Princeton, y Amitava Bhattacharjee, jefe del Departamento de Teoría de PPPL y profesor de ciencias astrofísicas de Princeton.

El principio de Pierre de Fermat

El artículo describe cómo la inestabilidad plasmoide comienza en una fase lineal lenta que pasa por un período de inactividad antes de acelerar a una fase explosiva que desencadena un aumento dramático en la velocidad de reconexión magnética. Para determinar las características más importantes de esta inestabilidad, los investigadores adaptaron una variante del "principio del tiempo mínimo" del siglo XVII originado por el matemático Pierre de Fermat.

El uso de este principio permitió a los investigadores derivar ecuaciones para la duración de la fase lineal, y para calcular la tasa de crecimiento y el número de plasmoides creados. Por eso, este enfoque de tiempo mínimo condujo a una fórmula cuantitativa para el tiempo de inicio de la reconexión magnética rápida y la física detrás de ella.

El papel también produjo una sorpresa. Los autores encontraron que tales relaciones no reflejan las leyes de poder tradicionales, en el que una cantidad varía como potencia de otra. "Es común en todos los ámbitos de la ciencia buscar la existencia de leyes de poder, "escribieron los investigadores". En contraste, encontramos que las relaciones de escala de la inestabilidad plasmoide no son verdaderas leyes de potencia, un resultado que nunca se ha derivado o predicho antes ".