Una supernova in laboratorio? Come ti creo l’onda d’urto astrofisica

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Le onde d’urto supersoniche che si originano da una supernova sono difficilissime da studiare per la grande distanza a cui avviene il fenomeno, ben al di fuori dal nostro sistema solare. Crediti immagine: NASA/ESA/Zolt Levay

SCOPERTE – Quando una stella supernova esplode, l’onda d’urto che genera è terrificante e trasporta con se raggi cosmici e particelle a velocità supersoniche. Ma anche un brillamento del Sole genera onde d’urto impressionanti, che si propagano dalla corona solare per chilometri nello spazio. Questi sono solo due esempi delle potentissime onde d’urtoastrofisiche, generate dall’interazione tra due plasma ad altissima energia, quella forma di materia composta da atomi e particelle atomiche cariche, che gli scienziati sono riusciti a ricreare in laboratorio.

Studiare questi fenomeni, che letteralmente muovono le particelle cariche nell’intero universo, non è facile. Si pensi alle onde d’urto supersoniche che si originano da una supernova: la grandissima distanza a cui avviene il fenomeno, che è ben al di fuori dal nostro sistema solare, rende impossibile agli astrofisici studiarle nel dettaglio. Se poi volessimo studiare le onde d’urto che si verificano vicino alla Terra, come quelle dei brillamenti solari, il problema è la velocità con cui queste onde si propagano, dato che avendo un alto numero di Mach per una sonda spaziale rilevarne la formazione è complicato.

E allora, come è possibile ricreare queste onde d’urto in scala e studiarle in un “semplice” laboratorio? Gli “ingredienti” di questa scoperta, dovuta al team di scienziati di Princeton guidati da Derek Schaeffer e avvenuta per caso nel Rochester Laboratory, sono tre: un plasma ad alta energia, creato con un potente laser, e un plasma magnetizzato e preesistente in laboratorio. Il risultato, pubblicato anche sulla rivista Physical Review Letters, è stato del tutto inaspettato e apre le porte a nuove conoscenze e nuovi metodi di indagine sull’universo.

Schaeffer ha sottolineato che con il suo team è stato in grado di sviluppare una piattaforma in laboratorio che fosse in grado non solo di produrre le onde d’urto altamente energetiche, ma anche di offrire una maggiore flessibilità e la possibilità di controllarle. Il team, guidato dal ricercatore di Princeton insieme al fisico William Fox, ha utilizzato per lo studio il laser Omega EP nel Rochester Laboratory for Laser Energetics ed è così riuscito a capire come evolvono i processi fisici all’interno delle onde d’urto dopo che sono state generate.

Per produrre le onde, gli scienziati hanno prima creato un plasma ad alta energia utilizzando un potente laser. Il plasma così ottenuto si è espanso all’interno di un plasma preesistente e magnetizzato. Tra i due plasma si è verificata una interazione “collisionless”, cioè senza collisioni diretta di particelle, che in pochi miliardesimi di secondo ha creato un’onda d’urto magnetizzata con un alto numero di Mach e che viaggiava a 1,6 milioni di chilometri orari, proprio come quelle che si formano al di fuori del sistema solare.

Una scoperta che in realtà, spiegano con umiltà i ricercatori, è avvenuta per caso. La piattaforma, infatti, era stata progettata per studiare il fenomeno della riconnessione magnetica, un processo in cui le linee di campo magnetico del plasma convergono, si separano e poi si riconnettono in modo altamente energetico. Gli scienziati del Rochester volevano studiare il flusso di plasma per capire le fluidodinamiche dietro al fenomeno e invece, installando uno strumento diagnostico, hanno osservato la formazione di un’onda d’urto con un alto numero di Mach.

Per controllare che il risultato, ottenuto con loro grande sorpresa, non fosse errato gli scienziati hanno raccolto i dati e hanno elaborato dei modelli matematici che sono stati verificati con la potente mente calcolatrice elettronica del supercomputer Titan, che ha confermato la compatibilità tra i modelli e i dati ottenuti negli esperimenti. Quelle erano proprio onde d’urto astrofisiche create in laboratorio.

Il prossimo obiettivo dei ricercatori sarà quello di studiare la relazione tra le onde d’urto non collisionali e l’accelerazione delle particelle astrofisiche. Un piccolo passo che però apre una grande porta e offre agli scienziati l’occasione unica di studiare da vicino un fenomeno che avviene al di fuori del sistema solare e ben lontano dalla Terra.

@oscillazioni

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