Plasmas, colecciones gaseosas de iones y electrones, constituyen aproximadamente el 99 por ciento de la materia visible en el universo, incluido el sol, las estrellas, y el medio gaseoso que impregna el espacio intermedio. La mayoría de estos plasmas, incluido el viento solar que fluye constantemente desde el sol y atraviesa el sistema solar, existen en un estado turbulento. Cómo funciona esta turbulencia sigue siendo un misterio; es una de las áreas de investigación más dinámicas de la física del plasma.

Ahora, dos investigadores han propuesto un nuevo modelo para explicar estos procesos turbulentos dinámicos.

Los resultados, de Nuno Loureiro, profesor asociado de ciencia e ingeniería nucleares y de física en el MIT, y Stanislav Boldyrev, profesor de física en la Universidad de Wisconsin en Madison, se informan hoy en el Diario astrofísico . El artículo es el tercero de una serie de este año que explica aspectos clave de cómo se comportan estas turbulentas colecciones de partículas cargadas.

"Los plasmas que ocurren naturalmente en el espacio y los entornos astrofísicos están enhebrados por campos magnéticos y existen en un estado turbulento, "Loureiro dice." Es decir, su estructura está muy desordenada en todas las escalas:si hace un acercamiento para mirar más y más de cerca los mechones y remolinos que componen estos materiales, verá signos similares de estructura desordenada en todos los niveles de tamaño ". Y aunque la turbulencia es un fenómeno común y ampliamente estudiado que ocurre en todo tipo de fluidos, la turbulencia que ocurre en los plasmas es más difícil de predecir debido a los factores agregados de corrientes eléctricas y campos magnéticos.

"La turbulencia de plasma magnetizado es fascinantemente compleja y notablemente desafiante, " él dice.

La reconexión magnética es un fenómeno complicado que Loureiro ha estado estudiando en detalle durante más de una década. Para explicar el proceso, da un ejemplo bien estudiado:"Si miras un video de una llamarada solar" cuando se arquea hacia afuera y luego se colapsa sobre la superficie del sol, "Eso es reconexión magnética en acción. Es algo que sucede en la superficie del sol que conduce a liberaciones explosivas de energía". La comprensión de Loureiro de este proceso de reconexión magnética ha proporcionado la base para el nuevo análisis que ahora puede explicar algunos aspectos de la turbulencia en los plasmas.

Loureiro y Boldyrev encontraron que la reconexión magnética debe jugar un papel crucial en la dinámica de la turbulencia del plasma, una idea que, según ellos, cambia fundamentalmente la comprensión de la dinámica y las propiedades del espacio y los plasmas astrofísicos y "es de hecho un cambio conceptual en la forma de pensar sobre la turbulencia, "Dice Loureiro.

Las hipótesis existentes sobre la dinámica de la turbulencia del plasma "pueden predecir correctamente algunos aspectos de lo que se observa, " él dice, pero "conducen a inconsistencias".

Loureiro trabajó con Boldyrev, un destacado teórico sobre la turbulencia del plasma, y los dos se dieron cuenta de que "podemos solucionar esto esencialmente fusionando las descripciones teóricas existentes de turbulencia y reconexión magnética, "Loureiro explica. Como resultado, "la imagen de la turbulencia se modifica conceptualmente y conduce a resultados que se asemejan más a lo observado por los satélites que controlan el viento solar, y muchas simulaciones numéricas ".

Loureiro se apresura a agregar que estos resultados no prueban que el modelo sea correcto, pero demuestre que es consistente con los datos existentes. "Definitivamente se necesita más investigación, "Dice Loureiro." La teoría especifica, predicciones comprobables, pero son difíciles de verificar con las simulaciones y observaciones actuales ".

Él añade, "La teoría es bastante universal, lo que aumenta las posibilidades de realizar pruebas directas ". Por ejemplo, hay alguna esperanza de que una nueva misión de la NASA, la sonda solar Parker, cuyo lanzamiento está previsto para el próximo año y estará observando la corona del sol (el anillo de plasma caliente alrededor del sol que solo es visible desde la Tierra durante un eclipse total), podría proporcionar la evidencia necesaria. Esa sonda, Loureiro dice:se acercará más al sol que cualquier nave espacial anterior, y debería proporcionar los datos más precisos sobre la turbulencia en la corona hasta el momento.

Recopilar esta información vale la pena el esfuerzo, Loureiro dice:"La turbulencia juega un papel fundamental en una variedad de fenómenos astrofísicos, "incluyendo los flujos de materia en el núcleo de planetas y estrellas que generan campos magnéticos a través de un efecto dínamo, el transporte de material en discos de acreción alrededor de objetos centrales masivos como agujeros negros, el calentamiento de las coronas estelares y los vientos (los gases constantemente alejados de la superficie de las estrellas), y la generación de estructuras en el medio interestelar que llena los vastos espacios entre las estrellas. "Un conocimiento sólido de cómo funciona la turbulencia en un plasma es clave para resolver estos problemas de larga data, " él dice.

"Este importante estudio representa un paso significativo hacia una comprensión física más profunda de la turbulencia del plasma magnetizado, "dice Dmitri Uzdensky, profesor asociado de física en la Universidad de Colorado, que no estuvo involucrado en este trabajo. "Al dilucidar las conexiones e interacciones profundas entre dos procesos de plasma fundamentales y ubicuos, la turbulencia magnetohidrodinámica y la reconexión magnética, este análisis cambia nuestra imagen teórica de cómo la energía de los movimientos turbulentos del plasma desciende en cascada de escalas grandes a pequeñas".

Él añade, "Este trabajo se basa en un estudio pionero anterior publicado por estos autores a principios de este año y lo extiende a un ámbito más amplio de plasmas sin colisiones. Esto hace que la teoría resultante sea directamente aplicable a entornos de plasma más realistas que se encuentran en la naturaleza. Al mismo tiempo, Este artículo conduce a nuevas y tentadoras preguntas sobre la turbulencia y la reconexión del plasma y, por lo tanto, abre nuevas direcciones de investigación. estimulando así los esfuerzos futuros de investigación en física espacial y astrofísica de plasma ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.