Riconnessione magnetica. Crediti: NASA/Goddard/Conceptual Image Lab
La riconnessione magnetica è uno dei processi naturali più interessanti nell’Universo, perché alla base di diversi fenomeni spaziali, come lampi di raggi gamma, brillamenti, espulsioni di massa coronale e riscaldamento coronale (nel Sole e in altre stelle), ma anche delle tempeste geomagnetiche che causano l’affascinante aurora boreale sulla Terra. In sintesi, la riconnessione si verifica quando due linee di campo magnetico (incorporate nel plasma – il caldo materiale che costituisce il 99% dell’universo visibile) si rompono e si collegano tra loro rilasciando grandi quantità di energia. Questo processo avviene in regioni prevalentemente bidimensionali (current sheet) in cui le particelle caricate elettricamente sono fortemente concentrate. Ma finora il fenomeno era avvolto da un mistero: perché la riconnessione magnetica avviene più velocemente rispetto a quanto scritto nelle diverse teorie elaborate in questi anni?
Ha provato a rispondere alla domanda l’italiano Luca Comisso, laureato in ingegneria spaziale al Politecnico di Milano, poi ricercatore Cnr e Infn e attualmente ricercatore presso il PPPL, il Dipartimento di energia del Laboratorio sulla fisica del plasma dell’Università di Princeton. Fino a questo momento si è creduto che gli strati di energia elettrica fossero molto allungati limitando fortemente la velocità delle linee del campo magnetico che si uniscono e si dividono durante la riconnessione, che quindi non potrebbe avvenire rapidamente. Tuttavia, l’osservazione e gli studi effettuati a Princeton mostrano che la riconnessione magnetica rapida esiste, contraddicendo quanto affermato precedentemente da altri teorici.
Luca Comisso, l’italiano dietro il rivoluzionario studio sulla riconnessione magnetica. Fonte: pagina Facebook personale
«La riconnessione magnetica», spiega Comisso a Media INAF, «è un processo tramite il quale le line di forza del campo magnetico possono cambiare la loro “connettività”, cioè si può immaginare che queste linee di forza si rompano e si riconnettano con altre linee di forza del campo magnetico in alcuni punti particolari del plasma, dove appunto avviene la riconnessione magnetica. In un plasma “ideale” (perfettamente conduttore) questo processo è proibito, perciò avviene solo in punti particolari (in genere sottili strati di corrente elettrica molto intensa) dove la “non-idealità” del plasma emerge. Il processo di riconnessione magnetica è molto importante in astrofisica perché permette di liberare grandi quantitativi di energia magnetica in tempi brevissimi. Questa energia viene quindi convertita in un aumento di energia cinetica delle particelle di plasma».
Nel loro studio pubblicato lo scorso ottobre su Physics of Plasmas, i ricercatori guidati da Comisso si concentrano su una particolare caratteristica legata al comportamento del plasma, cioè l’instabilità di plasmoide, alla base dell’aumento di velocità della riconnessione magnetica. Questi strati bidimensionali di corrente (plasma) – apparentemente stabili e ordinati – vengono “spezzati” e “rimischiati” creando delle sacche di plasma chiamate – appunto plasmoidi portando poi alla riconnessione magnetica. «La teoria che abbiamo formulato all’Università di Princeton e al PPPL è la più completa esistente a oggi», sottolinea Comisso, «e tiene in considerazione il fatto che i sottili strati di corrente dove avviene la riconnessione magnetica non sono statici, ma evolvono nel tempo. Questo è un aspetto fondamentale che fa cambiare drasticamente le proprietà di un’importante instabilità (la “plasmoid instability”) che porta alla rottura dello strato di corrente dove avviene la riconnessione magnetica. La rottura di questo strato in molti strati più piccoli fa aumentare tantissimo la velocità della riconnessione magnetica. Fino ad ora si sapeva che la “plasmoid instability” era estremamente importante per velocizzare la riconnessione magnetica, ma non si era mai riusciti a derivare le sue corrette proprietà (velocità, durata, numero di plasmodi prodotti, etc…). Per derivare queste proprietà abbiamo adottato un punto di vista diverso al problema».
«Parte di questo nuovo punto di vista», conclude Comisso, «ha a che fare con il “principio del minor tempo” del matematico Pierre de Fermat, da cui abbiamo preso ispirazione. Espresso in maniera molto sintetica, il principio di Fermat afferma che per andare da un punto ad un altro la luce segue il percorso che le richiede il minor tempo possibile. In analogia, noi abbiamo che la catena di plasmodi che emerge dall’instabilità dello strato di corrente è quella che richiede il minor tempo per attraversare la fase lineare dell’instabilità». Le equazioni elaborate dal gruppo di ricerca hanno permesso di teorizzare la durata della fase lineare e calcolare il tasso di crescita e il numero di plasmoidi creati.
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo “General theory of the plasmoid instability”, di L. Comisso, M. Lingam, Y.-M. Huang e A. Bhattacharjee
Nel video un esempio di riconnessione magnetica tra il Sole e la Terra:
Da MMS una panoramica sulla riconnessione magnetica, su INAF-TV: