Una hoja de ruta para profundizar la comprensión de un desconcertante proceso universal

Un proceso desconcertante llamado reconexión magnética desencadena fenómenos explosivos en todo el universo, creando erupciones solares y tormentas espaciales que pueden acabar con el servicio de telefonía móvil y las redes eléctricas. Ahora, los científicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han detallado una hoja de ruta para desenredar un aspecto clave de este rompecabezas que podría profundizar la comprensión del funcionamiento del cosmos.

La reconexión convierte la energía del campo magnético en erupciones de partículas en plasmas astrofísicos al separar y reconectar explosivamente las líneas del campo magnético, un proceso que ocurre dentro de lo que se denominan regiones de disipación que a menudo son enormemente más pequeñas que las regiones en las que impactan.

campo magnético estresado

«Al plasma no le gusta la reconexión», dijo Hantao Ji, físico de PPPL y profesor de la Universidad de Princeton, primer autor de un artículo que detalla la hoja de ruta en Revisiones de la naturaleza Física. «Sin embargo, la reconexión ocurre cuando el campo magnético está lo suficientemente estresado», dijo.

«Las escalas de disipación son pequeñas, mientras que las escalas astrofísicas son muy grandes y pueden extenderse por millones de millas. Encontrar una manera de unir estas escalas a través de un mecanismo multiescala es la clave para resolver el rompecabezas de la reconexión».

La hoja de ruta describe el papel del desarrollo de tecnologías con capacidades multiescala, como la Instalación para experimentos de reconexión de laboratorio (FLARE), una instalación de colaboración recientemente instalada que se está actualizando y probará facetas de reconexión magnética nunca antes accesibles para experimentos de laboratorio. Como complemento de estos experimentos, habrá simulaciones en las próximas supercomputadoras a exaescala que serán 10 veces más rápidas que las computadoras actuales. «La esperanza es que FLARE y la computación a exaescala vayan de la mano», dijo Ji.

La teoría de trabajo que propone la hoja de ruta de PPPL es que múltiples plasmoides, o islas magnéticas, que surgen de la reconexión a lo largo de largas láminas de corriente de plasma podrían unir la amplia gama de escalas. Dichos plasmoides se corresponderían más estrechamente con la región de reconexión afectada, con experimentos de laboratorio a múltiples escalas planificados para proporcionar las primeras pruebas de esta teoría y evaluar hipótesis contrapuestas.

«Exascale nos permitirá hacer simulaciones más creíbles basadas en experimentos FLARE de alta fidelidad», dijo el físico de PPPL Jongsoo Yoo, coautor del artículo. El mayor tamaño y potencia de la nueva máquina (su diámetro será el doble que el Experimento de Reconexión Magnética (MRX) del tamaño de un vehículo utilitario deportivo, el experimento de laboratorio de PPPL desde hace mucho tiempo) y permitirá a los científicos replicar la reconexión en la naturaleza con mayor fidelidad. .

«FLARE puede acceder a regímenes astrofísicos más amplios que MRX con múltiples puntos de reconexión y medir la geometría del campo durante la reconexión», dijo William Daughton, científico computacional del Laboratorio Nacional de Los Álamos y coautor del artículo. «Comprender esta física es importante para predecir cómo procede la reconexión en las erupciones solares», dijo.

Desafio Clave

Un desafío clave para los próximos experimentos será la innovación de nuevos sistemas de diagnóstico de alta resolución libres de suposiciones restrictivas. Una vez desarrollados, estos sistemas permitirán que FLARE se base en avistamientos de satélites como los producidos por la misión Magnetosphere Multiscale, una flota de cuatro naves espaciales lanzadas en 2015 para estudiar la reconexión en la magnetosfera, el campo magnético que rodea la Tierra.

«El progreso en la comprensión de la física multiescala depende de manera crítica de la innovación y la implementación eficiente de tales sistemas de diagnóstico en la próxima década», dijo el documento. Los nuevos hallazgos abordarán preguntas abiertas que incluyen:

• ¿Cómo comienza exactamente la reconexión?

• ¿Cómo se calientan y aceleran las partículas de plasma explosivas?

• ¿Qué papel juega la reconexión en procesos relacionados como la turbulencia y los choques espaciales?

En general, «el documento establece planes para proporcionar a todas las comunidades de física espacial y astrofísica métodos para resolver el problema de múltiples escalas», dijo Yoo. Tal solución marcaría un paso importante hacia una comprensión más completa de la reconexión magnética en grandes sistemas en todo el universo.