Reconexión magnética rápida, la rápida convergencia, separación y rotura explosiva de líneas de campo magnético, da lugar a la aurora boreal, erupciones solares y tormentas geomagnéticas que pueden interrumpir el servicio de telefonía celular y las redes eléctricas. El fenómeno tiene lugar en plasma, el estado de la materia compuesta por electrones libres y núcleos atómicos, o iones, que constituye el 99 por ciento del universo visible. Pero no se comprende bien si puede ocurrir una reconexión rápida en plasma parcialmente ionizado (plasma que incluye átomos, así como electrones e iones libres).

Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han producido ahora el primer modelo completamente cinético del comportamiento de las partículas de plasma y han descubierto que la reconexión rápida puede ocurrir en sistemas parcialmente ionizados. Los modelos cinéticos simulan la distribución y la velocidad de miles de millones de partículas, en comparación con los modelos de fluidos que tratan el plasma como un medio continuo en lugar de como una colección de partículas individuales.

"Existe toda una clase de plasmas parcialmente ionizados cuyo vínculo con la reconexión no ha sido bien estudiado, "dijo el físico Jonathan Jara-Almonte, autor principal de un artículo en Cartas de revisión física que informa los hallazgos recientes. "Ahora hemos demostrado que la reconexión rápida puede ocurrir en sistemas parcialmente ionizados".

Por ejemplo, la investigación sugiere que la reconexión rápida en el plasma parcialmente ionizado en la cromosfera solar, la región entre la superficie del sol y la corona solar en forma de halo, podría desempeñar un papel en el desarrollo de corrientes en chorro. Tales corrientes son una posible fuente de viento solar que rebota caliente, plasma cargado del campo magnético de la Tierra.

Implicaciones importantes

La reconexión rápida en plasma parcialmente ionizado tiene implicaciones importantes para el medio interestelar, las vastas nubes de gas y polvo que llenan el cosmos entre las estrellas. El frío, regiones densas del medio interestelar donde se forman las estrellas están muy poco ionizadas, y la reconexión rápida que ocurre dentro de estas regiones puede ayudar a eliminar los campos magnéticos que previenen la formación de estrellas.

Entender cuándo y dónde se produce la reconexión rápida sigue siendo un problema sin resolver, y las predicciones analíticas anteriores para plasmas parcialmente ionizados se basaban en la extrapolación de plasmas totalmente ionizados. Las nuevas simulaciones, realizado en computadoras en la Universidad de Princeton, demostraron que la transición a la reconexión rápida ocurre solo cuando la hoja actual es mucho más delgada de lo previsto. Los resultados sugieren que el transporte de plasma y calor es diferente en plasmas parcialmente ionizados y puede alterar cómo y cuándo ocurre la reconexión.

Estos hallazgos se centran en la reconexión a muy pequeña escala, a diferencia del proceso que ocurre en la cromosfera solar. Sin embargo, la simulación demostró ser compatible con la reconexión en la cromosfera superior, así como en experimentos de laboratorio a pequeña escala.

Avanzando, Jara-Almonte planea comparar los hallazgos de la simulación cinética con los de las simulaciones de fluidos que han dominado el modelado previo de plasmas parcialmente ionizados. Los coautores del artículo reciente fueron los físicos de PPPL Hantao Ji, profesor de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton; Masaaki Yamada, investigador principal del Experimento de Reconexión Magnética (MRX) en PPPL; y Will Fox, junto con Bill Daughton del Laboratorio Nacional de Los Alamos.