En julio de 2012, una poderosa tormenta solar casi golpea la Tierra. Los científicos estiman que tuvo la tormenta, llamada eyección de masa coronal (CME), golpear el planeta, el impacto habría paralizado las redes eléctricas en todo el mundo, quemando transformadores e instrumentos.

Una sonda de la NASA que se encontraba en el camino del CME detectó algunas de las partículas cargadas que contenía. Los datos recopilados por el satélite mostraron que la tormenta fue dos veces más poderosa que un evento de 1989 que destruyó toda la red eléctrica de Quebec. interrumpió el suministro de energía en los Estados Unidos e hizo que las luces del norte fueran visibles tan al sur como Cuba. De hecho, la tormenta reciente podría haber sido más fuerte que la primera y más poderosa CME conocida que golpeó el planeta, el evento de Carrington. Esa tormenta de 1859 arrojó chispas de las líneas de telégrafo, prendiendo fuego a las estaciones de telégrafo. Los investigadores calculan que las probabilidades de que ocurra una CME del tamaño de Carrington para 2024, y posiblemente golpee la Tierra, en un 12 por ciento.

Tales eventos ocurren cuando las líneas de campo en el sistema magnético masivo del sol se rompen y se vuelven a conectar. "Los campos magnéticos son un depósito de una enorme cantidad de energía, y ocurren grandes eventos eruptivos en los que se libera esta energía, "dice Amitava Bhattacharjee, un físico de plasma en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL), una instalación del Departamento de Energía en Princeton, New Jersey. "Las partículas cargadas tienden a atarse a las líneas del campo magnético como cuentas en un cable; cuando el cable se rompe, las perlas se lanzan a una velocidad enorme ".

El fenómeno, conocido como reconexión magnética rápida, sigue siendo un misterio. Nadie sabe cómo las líneas de campo se rompen y se vuelven a unir lo suficientemente rápido como para expulsar los miles de millones de toneladas de material desatado en una CME, o incluso en las erupciones más pequeñas de erupciones solares comunes. En experimentos de laboratorio y simulaciones, Bhattacharjee y sus colegas han revelado nuevos mecanismos que ayudan a explicar la reconexión magnética rápida.

Bhattacharjee ha estado en la búsqueda de tales mecanismos desde la escuela de posgrado, cuando se dio cuenta de que la física del plasma es "una hermosa, campo clásico con ecuaciones maravillosas que eran buenas cosas para analizar y hacer simulaciones por computadora, ", dice. Al mismo tiempo, vio que los plasmas, que constituyen el 99,5 por ciento del universo visible, son también la clave de "un problema muy práctico e importante para la humanidad, a saber, energía de fusión magnética ".

Por décadas, máquinas de fusión nuclear, como los tokamaks en forma de rosquilla, han prometido un suministro prácticamente ilimitado de energía relativamente limpia. Pero un dispositivo de fusión que funciona todavía está fuera de su alcance, en parte debido a la rápida reconexión magnética. "Los reactores de fusión magnética tienen campos magnéticos, y estos campos magnéticos también pueden reconectarse y causar inestabilidades disruptivas dentro de un plasma de fusión tokamak, "dice Bhattacharjee, profesor de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton y jefe de la División de Teoría y Computación de PPPL.

En el modelo actual de reconexión, campos magnéticos opuestos son empujados juntos por alguna fuerza externa, como corrientes de plasma. Una delgada, formas de área de contacto plana entre los dos campos, creando tensión en las líneas de campo. En esta delgada región, llamado hoja actual, partículas de plasma - iones y electrones - chocan entre sí, rompiendo líneas de campo y permitiéndoles formar nuevas, conexiones de menor energía con socios del campo magnético opuesto. Pero bajo este modelo, las líneas se reconectan solo tan rápido como se introducen en la hoja actual, no lo suficientemente rápido como para explicar la tremenda efusión de energía y partículas en un evento de reconexión rápida.

Dado que este modelo de reconexión lenta depende de las colisiones de partículas de plasma, muchos grupos de investigación han buscado efectos sin colisiones que puedan explicar la reconexión rápida. Las explicaciones prometedoras se centran en el comportamiento de las partículas cargadas en la hoja actual, donde la intensidad de campo es cercana a cero. Allí, las propiedades cargadas de lo masivo, se suprimen los iones lentos, y los ágiles electrones son libres de transportar la corriente y mover las líneas de campo a nuevas configuraciones.

Para experimentos de laboratorio sobre mecanismos ocultos, El equipo de Bhattacharjee utiliza potentes láseres en las instalaciones de Omega de la Universidad de Rochester. Para desarrollar modelos informáticos, el grupo usa Titán, una supercomputadora Cray XK7 en Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, a través del programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) de la Oficina de Ciencias. El programa de Ciencias de la Energía Fusión de la Oficina de Ciencias y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del DOE patrocinan los experimentos.

En un experimento inicial dirigido por el físico investigador de PPPL Will Fox, el equipo apuntó dos láseres Omega intensos a materiales que producen burbujas de plasma bajo los rayos. Cada burbuja generó espontáneamente su propio campo magnético a través de un efecto conocido como batería Biermann. Como sucede en el sol y los dispositivos de fusión nuclear, partículas de plasma cargadas alineadas en las líneas del campo magnético. Las burbujas se estrellaron entre sí, y una hoja de corriente formada entre ellos. La tasa de reconexión entre los campos fue rápida, demasiado rápida para la teoría clásica.

"Ahí es donde establecimos por primera vez el mecanismo subyacente para la reconexión que ocurre en esta máquina, "Dice Bhattacharjee. El equipo ahora tenía un modelo para la reconexión magnética rápida, uno aplicable a experimentos pioneros anteriores llevados a cabo por grupos en el Reino Unido y los Estados Unidos. Una simulación en Titán mostró que más líneas de campo estaban apiñadas en la hoja actual de lo que nadie se había imaginado. un fenómeno llamado flux pileup. El estudio mostró que, además de los efectos sin colisión sugeridos anteriormente, El pileup de flujo juega un papel en la reconexión rápida.

En experimentos posteriores dirigidos por Gennady Fiksel, ahora en la Universidad de Michigan, el equipo no quería depender únicamente de campos magnéticos generados espontáneamente. "Sentimos que necesitábamos un mayor control sobre los campos magnéticos que estábamos usando para el proceso de reconexión, "Dice Bhattacharjee." Entonces usamos un generador externo llamado MIFEDS (sistema de descarga eléctrica de fusión magneto-inercial), que produjo campos magnéticos externos que pudimos controlar ".

Para capturar cambios en este campo, el equipo llenó el espacio con un plasma de fondo delgado, generado por un tercer láser, e imaginé usando un haz de protones, qué campos magnéticos desvían. Cuando dos burbujas de plasma incidieron en el campo magnético externo, el equipo creó la imagen más clara hasta ahora de los eventos que tienen lugar en la región donde las líneas de campo se vuelven a conectar. La nueva configuración también mostró acumulación de flujo, seguido de un evento de reconexión que incluyó la formación de pequeñas burbujas de plasma en la región entre las burbujas y, finalmente, aniquilación abrupta del campo magnético.

"El mecanismo que encontramos es que forma esta delgada hoja de corriente que luego puede ser inestable, en lo que llamamos una inestabilidad plasmoide que rompe esta delgada hoja de corriente en pequeñas burbujas magnéticas, "Dice Bhattacharjee." La inestabilidad plasmoide es un mecanismo novedoso para el inicio de la reconexión rápida, lo que ocurre en una escala de tiempo que es independiente de la resistencia del plasma ".

Bhattacharjee y sus colegas están trabajando para comprender cómo encaja su descubrimiento en el panorama general de la actividad solar. tormentas solares y dispositivos de fusión nuclear. Una vez que ellos y la comunidad más amplia de físicos del plasma comprendan completamente la reconexión, la capacidad de predecir EMC y controlar algunas de las inestabilidades del plasma dentro de los reactores tokamak, por ejemplo, puede estar al alcance.