SIMULAZIONI NUMERICHE DI UN’INTERAZIONE SPETTACOLARE

Quando lo shock incontra la turbolenza

Un team del gruppo di Astrofisica geofisica e fisica dei plasmi dell’Università della Calabria ha messo a punto un modello numerico che aiuta a comprendere in dettaglio l’interazione tra onde di shock e turbolenza. Il risultato, pubblicato sull’ultimo numero di Pnas (che gli ha dedicato la copertina), ha diverse applicazioni nel campo dell’astrofisica

     28/05/2021
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I tre fisici dell’Università della Calabria autori, insieme a David Burgess della Queen Mary University of London, dell’articolo pubblicato su Pnas. Da sinistra: Sergio Servidio, Domenico Trotta e Francesco Valentini

Tutto ha avuto inizio nella primavera dello scorso anno, quando un giovane fisico calabrese, Domenico Trotta, dopo un periodo trascorso a Londra – alla Queen Mary University – per il dottorato, rientra in Italia. E va dritto all’Università della Calabria, a Cosenza. L’ateneo dove si era laureato, e dove si trova uno fra i gruppi di ricerca per lo studio del plasma più numerosi d’Europa. Un momento peggiore non poteva sceglierlo. «Ho preso servizio il primo di marzo del 2020. Giusto il tempo di dire buongiorno, firmare il contratto, ed è scattato il lockdown. All’improvviso mi sono ritrovato solo, isolato a casa, come tutti», ricorda ora Trotta a Media Inaf. Un rientro shock. Ma lui che degli shock ha fatto il suo oggetto di studio non si perde d’animo, anzi. La sua specialità è infatti proprio la simulazione numerica delle shock waves – le onde d’urto – che si presentano ovunque in natura. «Qui all’Università della Calabria ci sono molti esperti di turbolenza, di vento solare. Io avevo appena concluso il mio dottorato, appunto, sulle simulazioni numeriche di shock. Dunque è stato naturale provare a riunire un po’ i due mondi».

Ed è così che ha preso il via una ricerca – finanziata attraverso il progetto H2020 Aida – volta proprio a comprendere cosa accade quando un’onda di shock va a infrangersi contro un ambiente turbolento. Un incontro simile a quello simulato nelle gallerie del vento, per esempio, fra le auto e l’aria in movimento. Solo che l’aria è un materiale viscoso, e l’effetto che produce su un’auto lanciata ad alta velocità è quello di rallentarla. Gli shock e le turbolenze studiate da Trotta e i suoi colleghi – i professori dell’Università della Calabria Francesco Valentini e Sergio Servidio, e David Burgess della Queen Mary University of London – sono invece a base di plasma: una miscela di protoni ed elettroni perlopiù liberi, non vincolati fra loro. E gli effetti possono essere assai più sorprendenti.

Quali effetti, dunque? Per ricostruirli, i quattro fisici hanno simulato al supercomputer un plasma formato da miliardi di particelle – di plasma, appunto. E come in un videogioco lo hanno sparato a velocità supersoniche come un’onda d’urto – quella che gli astronomi chiamano collisionless shock – fino a farlo collidere con altri miliardi di particelle – sempre un plasma, ma questa volta in stato di turbolenza. In pratica, hanno riprodotto in dettaglio ciò che accade in continuazione un po’ ovunque nell’universo: ogni volta che il vento solare turbolento entra in collisione con la magnetosfera terrestre, per esempio, o l’onda d’urto di una supernova quando s’infrange con il mezzo interstellare circostante.

La copertina dell’ultimo numero di Pnas, dedicata allo studio di D. Trotta et al., mostra la simulazione di un plasma supersonico che interagisce con la turbolenza circostante (a sinistra), in cui si vede il fronte lo shock (che marca la zona più azzurra, a destra) propagarsi nel mezzo turbolento

Il risultato di queste simulazioni lo potete trovare sulla copertina dell’ultimo numero di Pnas, che vedete qui a fianco. E al di là del fascino estetico – con le linee del campo magnetico che ricordano un quadro di Van Gogh – è un risultato che mostra ciò che avviene alle particelle del fronte di shock quando entra in collisione con la turbolenza.

«Le strutture vorticose che si osservano, per esempio, nella Notte stellata di Van Gogh assomigliano spaventosamente a fenomeni di tutti i giorni: la turbolenza nel mare, nei fiumi, nel nostro caffè, e perché no: negli shock astrofisici», spiega Trotta. «Nello spazio interplanetario la storia è però più complicata di quello che vediamo qui sulla Terra, nei fluidi classici, e forse anche più contorta di quello che accade nei quadri di Van Gogh. Gli oggetti astrofisici sono immersi in un fluido molto complesso, il plasma appunto – uno stato della materia altamente ionizzato e particolarmente sensibile ai campi elettrici e magnetici. Dalla corona solare fino ai sistemi più estesi dell’universo, come gli ammassi di galassie, la stragrande maggioranza della materia osservabile è nello stato di plasma. Quando il plasma è molto diluito (ed è il caso di molti sistemi astrofisici), gli urti tra particelle sono trascurabili e le interazioni tra le particelle sono mediate dalle forze elettromagnetiche. Una delle caratteristiche fondamentali dei plasmi non-collisionali è la possibilità di accelerare particelle ad alte energie».

«Pensate a un surfista che cavalca un’onda», aggiunge Sergio Servidio. «Per le particelle è lo stesso: “cavalcando” lo shock vengono accelerate. Ora però ecco che queste particelle che surfano sullo shock ricevono un ulteriore calcio dalla turbolenza, dalle zone di plasma vorticoso con le quali entrano in collisione. E quindi accelerano (o decelerano) ancora, ottenendo un ulteriore slancio. Allo stesso modo, le osservazioni astrofisiche suggeriscono che ci siano dei fenomeni di accelerazione estrema agli shock, dove le particelle subiscono anche l’effetto della turbolenza e arrivano ad energie impensabili. Da questo punto di vista, rispetto ad un fluido, la cosiddetta turbolenza di plasma è più complessa, imprevedibile e, nonostante gli anni di ricerca, meno compresa».

Gli esempi di queste interazioni tra shock, plasmi e turbolenza sono numerosi. «Si pensi per esempio al nostro pianeta, che rappresenta un ostacolo per il plasma emesso dal sole», osserva Francesco Valentini. «Il vento solare turbolento è costretto dalla presenza della magnetosfera terrestre ad arrestare la sua corsa in corrispondenza della Terra. Essendo questo flusso supersonico, all’interfaccia con la magnetosfera si viene a creare uno shock che marca la frenata del vento solare prima del pianeta (bow shock terrestre). Altri famosi shock non-collisionali sono quelli che risultano dall’interazione tra esplosioni di supernova e il mezzo interstellare turbolento. Le supernove sono ritenute le fucine principali di raggi cosmici ad altissima energia. In tutti questi casi, la turbolenza gioca un ruolo fondamentale per la produzione di particelle energetiche, come già intuito nei primi brillanti lavori di Enrico Fermi, nel 1949».

Un esempio della nuova diagnostica usata per l’identificazione di fenomeni di trasporto delle particelle. Sopra, il mosaico che identifica zone di accelerazione (rosso) e decelerazione (blu) del plasma. Sotto, il campo elettrico turbolento responsabile di tale accelerazione.

Diversi sono i risultati presentati ottenuti con l’aiuto delle simulazioni, spiegano i ricercatori. Una volta che le particelle vengono accelerate dallo shock e iniziano a propagarsi nel mezzo circostante, la presenza della turbolenza gioca un ruolo fondamentale nell’evoluzione del sistema. Prima di tutto, per livelli di turbolenza più elevati, le particelle vengono accelerate a energie via via più alte, estraendo energia dalle fluttuazioni turbolente. La turbolenza è quindi in grado di “rimescolare” le particelle prodotte dallo shock. È stato anche osservato che la turbolenza cambia alcune delle proprietà fondamentali dello shock: ad esempio induce forti distorsioni del fronte.

«Ma la turbolenza non è uno stato totalmente random della materia, nella turbolenza ci sono strutture, onde, fluttuazioni di diversa natura e riconnessione magnetica. La turbolenza quindi non solo può accelerare ma anche decelerare, “intrappolando” le particelle, che cedono energia all’ambiente circostante. A tal riguardo, abbiamo messo a punto una nuova diagnostica per identificare, in modo rapido e preciso, zone di plasma dove avvengono fenomeni di accelerazione/decelerazione o compressione/dilatazione. Utilizzando questa diagnostica, il plasma diventa un “mosaico” di zone interessanti dal punto di vista dell’energetica delle particelle. Abbiamo stabilito che il campo elettrico turbolento è un ingrediente importante del processo di accelerazione. La nuova diagnostica è stata applicata per ora alle simulazioni numeriche», conclude Trotta, «ma siamo già al lavoro per esportarla a osservazioni in-situ».

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