Las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal en el sol son causadas por la "reconexión magnética", cuando las líneas de campo magnético de direcciones opuestas se fusionan, vuelven a unirse y se separan, creando explosiones que liberan cantidades masivas de energía. Crédito:Laboratorio de imágenes conceptuales de la NASA.
Cuando las líneas de campo magnético de direcciones opuestas se fusionan, crean explosiones que pueden liberar cantidades masivas de energía. En el sol, la fusión de líneas de campo opuestas provoca erupciones solares y eyecciones de masa coronal, explosiones gigantes de energía que pueden viajar a la Tierra en un día.
Si bien se conocen los mecanismos generales de la reconexión magnética, los investigadores han luchado durante más de medio siglo para explicar la física precisa detrás de la rápida liberación de energía que tiene lugar.
Un nuevo estudio de Dartmouth publicado en Communications Physics proporciona la primera descripción teórica de cómo un fenómeno conocido como "efecto Hall" determina la eficiencia de la reconexión magnética.
"La velocidad a la que las líneas del campo magnético se reconectan es de extrema importancia para los procesos en el espacio que pueden impactar en la Tierra", dijo Yi-Hsin Liu, profesor asistente de física y astronomía en Dartmouth. "Después de décadas de esfuerzo, ahora tenemos una teoría completa para abordar este problema de larga data".
La reconexión magnética existe en toda la naturaleza en plasmas, el cuarto estado de la materia que llena la mayor parte del universo visible. La reconexión tiene lugar cuando las líneas de campo magnético de direcciones opuestas se atraen entre sí, se separan, se vuelven a unir y luego se separan violentamente.
En el caso de la reconexión magnética, el chasquido de las líneas magnéticas fuerza la salida del plasma magnetizado a altas velocidades. La energía se crea y se desplaza a los plasmas a través de una fuerza de tensión como la que expulsa objetos de las hondas.
La reconexión magnética ocurre cuando las líneas de campo magnético de direcciones opuestas se fusionan, vuelven a unir y se separan, liberando cantidades masivas de energía para calentar plasmas e impulsar flujos de salida de alta velocidad. Crédito:Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
El estudio de Dartmouth se centra en el problema de la tasa de reconexión, el componente clave de la reconexión magnética que describe la velocidad de la acción en la que las líneas magnéticas convergen y se separan.
Investigaciones anteriores encontraron que el efecto Hall, la interacción entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos que las rodean, crea las condiciones para una rápida reconexión magnética. Pero hasta ahora los investigadores no pudieron explicar los detalles de cómo exactamente el efecto Hall mejora la tasa de reconexión.
El estudio teórico de Dartmouth demuestra que el efecto Hall suprime la conversión de energía del campo magnético en partículas de plasma. Esto limita la cantidad de presión en el punto donde se fusionan, lo que obliga a las líneas del campo magnético a curvarse y contraerse, lo que da como resultado una geometría de salida abierta necesaria para acelerar el proceso de reconexión.
"Esta teoría aborda el importante rompecabezas de por qué y cómo el efecto Hall hace que la reconexión sea tan rápida", dijo Liu, quien se desempeña como líder adjunto del equipo de teoría y modelado de la Misión Magnetosférica Multiescala (MMS) de la NASA. "Con esta investigación, también hemos explicado el proceso de liberación de energía magnética explosiva que es fundamental y omnipresente en los plasmas naturales".
Alrededor de la región donde se produce la reconexión, la desviación del movimiento de iones (líneas de corriente azules en (a)) del movimiento de electrones (líneas de corriente rojas en (a)) da lugar al "efecto Hall", que da como resultado el patrón de transporte de energía electromagnética ilustrado por líneas aerodinámicas amarillas en (b). Este patrón de transporte limita la conversión de energía en el centro, lo que permite una rápida reconexión. Crédito:Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
La nueva teoría podría promover la comprensión técnica de las erupciones solares y los eventos de eyección de masa coronal que causan el clima espacial y las perturbaciones eléctricas en la Tierra. Además de usar la tasa de reconexión para estimar las escalas de tiempo de las erupciones solares, también se puede usar para determinar la intensidad de las subtormentas geomagnéticas y la interacción entre el viento solar y la magnetosfera de la Tierra.
El equipo de investigación está trabajando junto con la Misión Magnetosférica Multiescala de la NASA para analizar la reconexión magnética en la naturaleza. Los datos de cuatro satélites que vuelan en formación cerrada alrededor de la magnetosfera de la Tierra como parte de la misión de la NASA se utilizarán para validar el hallazgo teórico de Dartmouth.
"Este trabajo demuestra que los conocimientos teóricos fundamentales reforzados por las capacidades de modelado pueden avanzar en el descubrimiento científico", dijo Vyacheslav Lukin, director del programa de física del plasma en NSF. "Las implicaciones tecnológicas y sociales de estos resultados son intrigantes, ya que pueden ayudar a predecir los impactos del clima espacial en la red eléctrica, desarrollar nuevas fuentes de energía y explorar nuevas tecnologías de propulsión espacial".
El nuevo estudio también puede informar los estudios de reconexión en dispositivos de fusión confinados magnéticamente y plasmas astrofísicos cerca de estrellas de neutrones y agujeros negros. Aunque actualmente no existe un uso aplicado, algunos investigadores han considerado la posibilidad de utilizar la reconexión magnética en los propulsores de las naves espaciales. Una hoja de ruta para profundizar la comprensión de un desconcertante proceso universal
