WASHINGTON. Contrariamente a lo que mucha gente cree, el espacio exterior no está vacío. Además de una sopa de iones y electrones con carga eléctrica conocida como plasma, el espacio está permeado por campos magnéticos con una amplia gama de fuerzas. Los astrofísicos se han preguntado durante mucho tiempo cómo se producen, sostienen y magnifican esos campos.
Ahora, los científicos del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han demostrado que la turbulencia del plasma podría ser responsable, proporcionando una posible respuesta a lo que se ha llamado uno de los problemas no resueltos más importantes en la astrofísica del plasma.
Los investigadores utilizaron computadoras potentes en el Instituto Princeton de Ciencia e Ingeniería Computacionales (PICSciE) y en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía (NERSC) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE para simular cómo la turbulencia podría intensificar los campos magnéticos a través de lo que se conoce como Efecto dinamo, en el que los campos magnéticos se vuelven más fuertes a medida que las líneas del campo magnético giran y giran.
«Este trabajo constituye un paso importante hacia la respuesta por primera vez a la pregunta de si la turbulencia puede amplificar los campos magnéticos a las fuerzas dinámicas en un plasma caliente y diluido, como el que reside en grupos de galaxias», dijo Matthew Kunz, profesor de astrofísica en La Universidad de Princeton y un autor del artículo, que se publicó en The Astrophysical Journal Letters.
Las investigaciones anteriores se han centrado en las dinamos, ya que podrían ocurrir en los llamados plasmas de colisión, en los que las partículas se comportan colectivamente como un fluido. Pero los plasmas intergalácticos no tienen colisiones, por lo que los experimentos pasados no son necesariamente relevantes.
Esta nueva investigación está destinada a abordar esa brecha. «Queríamos ver cómo se comportaría la dinamo en el régimen sin colisiones», dijo Denis St-Onge, estudiante graduado del Programa de Princeton en Física de Plasma en PPPL y autor principal del artículo.
St-Onge y Kunz se enfocaron en las formas en que las velocidades y los campos magnéticos de las partículas individuales dentro del plasma sin colisión están directamente vinculados. Este enlace, si una cantidad aumenta o disminuye, la otra también debe parecer que descarta la existencia de una dinamo. «Si esta fuera toda la historia, sería desastroso para la dinamo», dijo St-Onge.
«Para coincidir con lo que observamos en el espacio, el dínamo tendría que aumentar la fuerza del campo magnético de la semilla en al menos un factor de un billón, pero la energía de las partículas también tendría que aumentar, y simplemente no hay suficiente energía disponible en la dinamo para que eso suceda».
Para producir la fuerza de los campos magnéticos observados en el espacio, se debe cortar el lazo que une la energía de las partículas con el magnetismo. Esto es justo lo que St-Onge y Kunz observaron en las simulaciones por computadora: que los tipos de turbulencia del plasma conocidos como inestabilidades de espejo y manivela hicieron que las partículas de plasma se dispersaran, y la dispersión rompió el vínculo entre la energía de las partículas y el magnetismo y permitió ampliar los campos magnéticos para crecer más cerca de lo que se observa en la naturaleza.
Las investigaciones futuras, señala St-Onge, se centrarán en por qué se produce esta dispersión turbulenta.
«Además, nos gustaría investigar los aspectos específicos de la dispersión de partículas», dijo St-Onge. «¿Cómo exactamente las inestabilidades hacen que las partículas se dispersen, con qué frecuencia se produce la dispersión y cómo la dispersión puede llevar a un repentino y dramático crecimiento de un campo magnético? La última idea es una idea propuesta por el director del PPPL, Steven Cowley, hace años. Me gustaría investigar si esto es cierto «, dijo St-Onge.
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