PRODOTTI IN LABORATORIO CAMPI MAGNETICI DA DUEMILA TESLA

Due petawatt per studiare i raggi X dei buchi neri

Un team di ricercatori dell'Università di Osaka è riuscito, grazie e brevissimi impulsi laser ad altissima intensità, a riprodurre in laboratorio la riconnessione magnetica all’interno di un plasma. Descritto su Physical Review E, è un risultato che apre la strada a una comprensione più completa dei meccanismi all’origine dell’emissione di raggi X da oggetti astronomici estremi come i buchi neri

     08/09/2020
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Sezione trasversale di quattro domini magnetici che vanno incontro a riconnessione. Le linee di flusso (e il plasma associato) fluiscono verso il centro da sopra e sotto il separatore, si riconnettono e balzano poi in fuori orizzontalmente. Crediti: ChamouJacoN/Wikimedia Commons

I buchi neri, ormai lo sappiamo, in particolari circostanze sono tutt’altro che neri, anzi: emettono quantità d’energia spaventose. Più precisamente, a emetterle sono i loro dintorni, la regione che circonda l’orizzonte degli eventi. Ma quali circostanze? Quella tipica è quando il buco nero è “seduto a tavola”: mentre il mostro sta pasteggiando, infatti, la materia del disco di accrescimento – o di qualche astro di passaggio catturato dal campo gravitazionale – precipita a tale velocità  verso la sua nera bocca da raggiungere temperature di milioni di gradi, rendendo luminosissimo l’intorno del buco nero.

Ci sono però altri processi in grado di trasformare un buco nero in un faro abbacinante. Uno di questi è la riconnessione magnetica: il meccanismo fisico di conversione dell’energia immagazzinata nei campi magnetici in altre forme di energia. Un processo caratteristico del plasma: lo stato della materia ionizzata, più calda dei solidi, dei liquidi o dei gas. Nel plasma, protoni ed elettroni – troppo energetici per formare atomi neutri – rimangono separati, dunque elettricamente carichi, rimbalzando freneticamente in risposta ai campi magnetici. La riconnessione magnetica si verifica allorché all’interno di un plasma le linee di campo magnetico “scattano” all’improvviso, annullandosi a vicenda – come avviene al centro nell’animazione qui in alto – determinando la rapida conversione dell’energia magnetica in energia cinetica delle particelle.

Schema del processo attraverso il quale la riconnessione magnetica è generata dall’irradiazione del laser Lfex nella micro-bobina dell’esperimento. Il deflusso di particelle accelerato dalla riconnessione magnetica viene misurato utilizzando diversi rivelatori. Crediti: Institute of Laser Engineering/University of Osaka

Nelle stelle, compreso il Sole, la riconnessione è responsabile di gran parte dell’attività coronale, come i brillamenti solari. Nei buchi neri, a causa della forte accelerazione, le particelle cariche nel disco di accrescimento emettono luce, di solito nella regione dei raggi X dello spettro elettromagnetico. Per comprendere meglio il processo che dà origine ai raggi X provenienti dai buchi neri, un team di ricercatori dell’università di Osaka, in Giappone, è riuscito a ricreare in laboratorio, attraverso potenti impulsi laser, le condizioni estreme presenti in queste regioni attorno ai buchi neri.

«Siamo stati così in grado di studiare l’accelerazione ad alta energia di elettroni e protoni prodotta dalla riconnessione magnetica relativistica. In tal modo, è possibile comprendere meglio l’origine di emissioni come quella prodotta dal buco nero Cygnus X-1», dice il fisico alla guida del team che ha condotto l’esperimento, Shinsuke Fujioka, coautore dello studio che ne riporta i risultati, pubblicato la settimana scorsa su Physical Review E.

Riuscirci è stata un’impresa: per ottenere l’intensità luminosa desiderata, il laser Lfex ha richiesto – seppur per un brevissimo istante – due petawatt di potenza: vale a dire, mille volte il consumo di energia elettrica dell’intero pianeta. I campi magnetici così prodotti hanno raggiunto picchi pazzeschi, attorno ai duemila tesla. Per fare un confronto, i campi magnetici generati da una macchina per la risonanza magnetica sono in genere attorno ai tre tesla, mentre il campo magnetico terrestre è di appena 0,00005 tesla.

La riconnessione magnetica prodotta in laboratorio è così riuscita ad accelerare le particelle del plasma a un livello talmente estremo da rendere necessario prendere in considerazione gli effetti relativistici. «In precedenza, la riconnessione magnetica relativistica poteva essere studiata solo tramite la simulazione numerica su un supercomputer. Ora, grazie a laser di potenza sufficiente, è una realtà sperimentale», conclude il primo autore dello studio, King Fai Farley Law.

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