La figura mostra il setup dell’esperimento. Nel pannello a) si può vedere il gas ambiente, il target solido, la direzione del laser e quella del campo magnetico. Il pannello b) mostra anche un rendering tridimensionale del plasma in espansione nel gas ambiente ottenuto da simulazioni Flash. I pannelli c) e d) mostrano la densità del gas (integrata lungo la linea di vista) 4 ns dopo l’incidenza del laser, misurata in due diversi piani (x-y e x-z). La direzione del campo magnetico è anche indicata. Crediti: W. Yao et al., Nature Physics, 2021
Il nostro pianeta è costantemente bombardato da particelle altamente energetiche provenienti dallo spazio, chiamate raggi cosmici. Anni di studi e osservazioni hanno dimostrato che tali particelle possono essere accelerate ai valori di energia osservati da onde d’urto (shock) che si propagano in diversi ambienti astrofisici, principalmente nei resti di supernova in espansione nel mezzo interstellare (un resto di supernova è una nebulosa in rapida espansione prodotta dall’esplosione di una supernova). I ricercatori hanno individuato diversi meccanismi che, in funzione delle condizioni dello shock e dell’ambiente circostante, possono accelerare particelle fino ai valori tipici dei raggi cosmici.
Per studiare l’innesco del processo di accelerazione, un team di ricercatori guidato dai fisici Weipeng Yao e Julien Fuchs (École Polytechnique, Sorbonne Université) ha riprodotto in laboratorio le condizioni di uno shock in espansione in un gas ambiente, immerso in un campo magnetico uniforme, e usato simulazioni magnetoidrodinamiche per studiare l’evoluzione del sistema. Il gas ambiente è realizzato con idrogeno a bassa densità (1018 cm-3), nel quale è immerso un target solido di Teflon. Questo è quindi colpito con un impulso laser ad alta potenza durato 1 ns, il quale ha prodotto del plasma caldo che ha cominciato a espandersi nel gas ambiente. La velocità iniziale di espansione dello shock risultante è stata di 1500 km/s. Inoltre lo shock è inizialmente caratterizzato da parametri che descrivono le collisioni tra le particelle – cammino libero medio e tempo collisionale degli urti tra ioni – tipici di condizioni in cui le collisioni non sono importanti durante l’espansione dell’onda d’urto (collisionless shock). Tutto il sistema è immerso in un campo magnetico uniforme, allineato in modo trasversale rispetto la direzione di propagazione del laser. Questa configurazione riproduce le condizioni di propagazione di onde d’urto in diversi ambienti astronomici, quali i resti di supernova che interagiscono con nubi molecolari dense e il vento solare.
Oltre a verificare la possibilità di riprodurre uno shock in espansione in laboratorio, i ricercatori hanno misurato, grazie a due spettrometri, la velocità di protoni accelerati durante l’esperimento. Da queste misure è stato possibile dimostrare la presenza di particelle che sono state accelerate fino a energie di alcune centinaia di keV dallo shock. Sia l’esperimento che le simulazioni numeriche mostrano come queste particelle siano state accelerate nei primi 2-3 ns di evoluzione del sistema, quando lo shock si propagava ad una velocità superiore ai 1000 km/s. Il meccanismo di accelerazione dominante in questa fase iniziale è lo shock surfing acceleration, processo in cui le particelle cariche poste davanti l’onda d’urto vengono accelerate dal campo elettrico associato allo shock. «Il processo di shock surfing acceleration permette ai protoni di essere accelerati mentre “cavalcano” il fronte dell’onda d’urto, un po’ come dei surfisti, per effetto del campo elettrico nella regione dello shock», spiega a Media Inaf uno dei coautori dello studio, Marco Miceli dell’Università di Palermo.
L’esperimento ha dimostrato che le energie relativistiche a cui sono accelerate le particelle dallo shock surfing acceleration sono sufficienti a innescare un ulteriore processo – noto come diffusive shock acceleration e non riprodotto dall’esperimento – in grado di portare le particelle a valori di energia tipici dei raggi cosmici. «Con gli esperimenti di laboratorio», aggiunge infatti un altro dei coautori, l’astrofisico Salvatore Orlando dell’Inaf di Palermo, «siamo riusciti a ricreare, in scala, condizioni fisiche estremamente simili a quelle che si osservano in alcuni resti di supernova, mostrando che il processo di surfing può innescare il meccanismo di accelerazione dei raggi cosmici in queste sorgenti». Infine, sia l’esperimento che le simulazioni hanno dimostrato l’importanza del campo magnetico, senza il quale non è possibile formare lo shock in espansione.
Questo studio identifica quindi per la prima volta nello shock surfing acceleration il processo responsabile per la prima fase di accelerazione dei raggi cosmici da parte di shock simili a quelli che caratterizzano i resti di supernova. Più in generale, esistono diversi ambienti astrofisici dove questo processo svolge un ruolo importante nell’accelerazione di particelle cariche. Ad esempio, durante fenomeni altamente energetici sul Sole, come nel fronte d’urto causato dalle espulsioni di massa coronali, nello spazio interplanetario nella regione di interazione della magnetosfera terrestre con il vento solare, al termination shock del vento solare e, più in generale, nei venti stellari.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Physics l’articolo “Laboratory evidence for proton energization by collisionless shock surfing”, di W. Yao, A. Fazzini, S. N. Chen, K. Burdonov, P. Antici, J. Béard, S. Bolaños, A. Ciardi, R. Diab, E. D. Filippov, S. Kisyov, V. Lelasseux, M. Miceli, Q. Moreno, V. Nastasa, S. Orlando, S. Pikuz, D. C. Popescu, G. Revet, X. Ribeyre, E. d’Humières e J. Fuchs