Gennaio 28, 2023

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I ricercatori usano laser ad alta energia per studiare la riconnessione magnetica

Schermata del Conceptual Image Lab della NASA su “Riconnessione magnetica attraverso il sistema solare”. La riconnessione magnetica si verifica quando campi magnetici paralleli – trovati in questo caso nei brillamenti solari – si scontrano, si rompono e si riallineano. Questo processo produce un’esplosione ad alta energia che catapulta le particelle nello spazio. Credito: Laboratorio di immagini concettuali della NASA

Gli scienziati usano potenti laser per creare eruzioni solari in miniatura per studiare il processo di riconnessione magnetica.

Gli scienziati hanno utilizzato dodici raggi laser ad alta energia per simulare mini brillamenti solari al fine di studiare i meccanismi alla base della riconnessione magnetica, un fenomeno astronomico fondamentale.

Contrariamente alla credenza popolare, l’universo non è vuoto. Nonostante la frase “il vasto vuoto dello spazio”, l’universo è pieno di vari materiali come particelle cariche, gas e raggi cosmici. Mentre i corpi celesti possono sembrare rari, l’universo è pieno di attività.

Una tale spinta di particelle ed energia attraverso lo spazio è un fenomeno chiamato riconnessione magnetica. Come suggerisce il nome, la riconnessione magnetica avviene quando due campi magnetici paralleli, come in due campi magnetici che viaggiano in direzioni opposte, si scontrano, si rompono e si riallineano. Sebbene sembri innocuo, è tutt’altro che calmo.

Questo fenomeno è visto ovunque nell’universo. A casa, puoi vederli nei brillamenti solari o nella magnetosfera terrestre. spiega Taichi Morita, assistente professore all’Università di Università di Kyushu Facoltà di Scienze dell’Ingegneria e primo autore dello studio. “In effetti, l’aurora boreale si forma come risultato di particelle cariche espulse dalla riconnessione magnetica nel campo magnetico terrestre”.

Tuttavia, sebbene si verifichino comunemente, molti dei meccanismi alla base di questi fenomeni sono un mistero. Sono in corso studi, come in[{” attribute=””>NASA’s Magnetospheric Multiscale Mission, where magnetic reconnections are studied in real-time by satellites sent into Earth’s magnetosphere. However, things such as the speed of reconnection or how energy from the magnetic field is converted and distributed to the particles in the plasma remain unexplained.

An alternative to sending satellites into space is to use lasers and artificially generate plasma arcs that produce magnetic reconnections. However, without suitable laser strength, the generated plasma is too small and unstable to study the phenomena accurately.

“One facility that has the required power is Osaka University’s Institute for Laser Engineering and their Gekko XII laser. It’s a massive 12-beam, high-powered laser that can generate plasma stable enough for us to study,” explains Morita. “Studying astrophysical phenomena using high-energy lasers is called ‘laser astrophysics experiments,’ and it has been a developing methodology in recent years.”

In their experiments, reported in Physical Review E, the high-power lasers were used to generate two plasma fields with anti-parallel magnetic fields. The team then focused a low-energy laser into the center of the plasma where the magnetic fields would meet and where magnetic reconnection would theoretically occur.

“We are essentially recreating the dynamics and conditions of a solar flare. Nonetheless, by analyzing how the light from that low-energy laser scatters, we can measure all sorts of parameters from plasma temperature, velocity, ion valence, current, and plasma flow velocity,” continues Morita.

One of their key findings was recording the appearance and disappearance of electrical currents where the magnetic fields met, indicating magnetic reconnection. Additionally, they were able to collect data on the acceleration and heating of the plasma.

The team plans on continuing their analysis and hopes that these types of ‘laser astrophysics experiments’ will be more readily used as an alternative or complementary way to investigate astrophysical phenomena.

“This method can be used to study all sorts of things like astrophysical shockwaves, cosmic-ray acceleration, and magnetic turbulence. Many of these phenomena can damage and disrupt electrical devices and the human body,” concludes Morita. “So, if we ever want to be a spacefaring race, we must work to understand these common cosmic events.”

Reference: “Detection of current-sheet and bipolar ion flows in a self-generated antiparallel magnetic field of laser-produced plasmas for magnetic reconnection research” by T. Morita, T. Kojima, S. Matsuo, S. Matsukiyo, S. Isayama, R. Yamazaki, S. J. Tanaka, K. Aihara, Y. Sato, J. Shiota, Y. Pan, K. Tomita, T. Takezaki, Y. Kuramitsu, K. Sakai, S. Egashira, H. Ishihara, O. Kuramoto, Y. Matsumoto, K. Maeda and Y. Sakawa, 10 November 2022, Physical Review E.
DOI: 10.1103/PhysRevE.106.055207

The study was funded by the Japan Society for the Promotion of Science.

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