I campi magnetici sono presenti ovunque nell’universo, dai pianeti alle stelle fino alle intere galassie. Queste forze invisibili influenzano importanti eventi e processi cosmici, tra cui le tempeste solari, il movimento delle particelle ad alta energia e persino la formazione delle galassie. Mentre i campi magnetici di piccola entità sono spesso caotici e turbolenti, strutture magnetiche molto più grandi appaiono sorprendentemente organizzate. Per decenni, gli scienziati si sono sforzati di spiegare come il disordine nello spazio possa generare un ordine su così vasta scala.
Ora, i ricercatori guidati da scienziati dell’Università del Wisconsin-Madison ritengono di aver forse scoperto il pezzo mancante del puzzle.
In un nuovo studio pubblicato su Nature , il team ha utilizzato simulazioni computerizzate estremamente dettagliate per studiare i flussi di plasma. I loro risultati suggeriscono che grandi campi magnetici possono emergere quando il plasma turbolento sviluppa flussi organizzati a getto. La scoperta introduce una nuova spiegazione per la formazione dei campi magnetici cosmici e potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio fenomeni che vanno dalla formazione dei buchi neri alle condizioni meteorologiche spaziali in prossimità della Terra.
“I campi magnetici in tutto il cosmo sono su larga scala e ordinati, ma la nostra comprensione di come questi campi vengano generati è che derivino da una qualche forma di moto turbolento”, afferma l’autore principale dello studio, Bindesh Tripathi, ex studente di dottorato in fisica presso l’Università del Wisconsin-Madison e attuale ricercatore post-dottorato alla Columbia University. “Dato che la turbolenza è nota per essere un agente distruttivo, la domanda rimane: come fa a creare un campo costruttivo su larga scala?”
Alla ricerca dell’ordine nella turbolenza cosmica
Prima di concentrarsi sui campi magnetici tridimensionali (3D), Tripathi aveva studiato sistemi che coinvolgevano flussi di fluidi e campi magnetici bidimensionali (2D). Esaminando immagini e video di turbolenze magnetiche 3D, notò che le strutture magnetiche su larga scala assomigliavano alle forme dei flussi su larga scala.
Tuttavia, applicare direttamente la fluidodinamica ai campi magnetici non è stato semplice. I problemi di flusso dei fluidi possono spesso essere semplificati in due dimensioni, ma la generazione del campo magnetico deve essere risolta nello spazio tridimensionale completo, il che rende i calcoli molto più complessi.
Per affrontare la sfida, i ricercatori hanno modificato due aspetti importanti degli studi precedenti.
Il primo metodo consisteva nell’aggiungere alle simulazioni un gradiente di velocità in costante rinnovamento. Un gradiente di velocità si verifica quando diverse parti di un sistema si muovono a velocità differenti. Ad esempio, un ciclista che urta improvvisamente un marciapiede sperimenta un forte gradiente di velocità quando la bicicletta si ferma, ma la quantità di moto del ciclista continua ad avanzare. Effetti simili si verificano in tutto l’universo, anche all’interno del Sole e durante le fusioni di stelle di neutroni. Il team sospettava che questi gradienti potessero svolgere un ruolo importante nel modellare i campi magnetici.
Enormi simulazioni su supercomputer rivelano uno schema
Il secondo passo fondamentale è stato la potenza di calcolo. I ricercatori hanno realizzato quella che potrebbe essere la simulazione più dettagliata finora effettuata sull’interazione tra campi magnetici e gradienti di velocità instabili. Il loro modello ha utilizzato 137 miliardi di punti di griglia nello spazio tridimensionale.
Complessivamente, il team ha eseguito circa 90 simulazioni, producendo 0,25 petabyte di dati e consumando quasi 100 milioni di ore di CPU sul supercomputer Anvil della Purdue University.
“Iniziamo le nostre simulazioni con un flusso che presenta un gradiente di velocità, poi aggiungiamo delle piccole perturbazioni, come lo spostamento infinitesimale di una particella di fluido, lasciamo che questa perturbazione si propaghi nel sistema e cresca, e infine analizziamo i dati nel tempo”, spiega Tripathi. “Inizialmente, queste perturbazioni generano flussi turbolenti e campi magnetici in strutture su piccola scala, poi, col tempo, emergono in strutture più grandi e ordinate.”
Quando i ricercatori hanno ripetuto le simulazioni senza mantenere il gradiente di velocità su larga scala, le strutture magnetiche organizzate non si sono mai formate. Il sistema è rimasto invece caotico e disordinato.
“Quindi, questo è davvero il punto chiave: avere un gradiente di velocità costante e su larga scala”, sottolinea.
Risoluzione di un problema di lunga data relativo al campo magnetico
Gli scienziati studiano le dinamo magnetiche, i processi che generano i campi magnetici, da circa 70 anni. Tuttavia, la maggior parte dei modelli teorici ha faticato a riprodurre le grandi strutture magnetiche ordinate che gli astronomi osservano effettivamente nello spazio.
Aggiunge Paul Terry, professore di fisica all’Università del Wisconsin-Madison e autore senior dello studio: “La generazione di campi magnetici tramite dinamo è stata studiata a fondo per 70 anni, con il risultato frustrante che i campi generati risultano quasi sempre di piccola scala e altamente disordinati, a differenza di quanto osservato. Questo lavoro, pertanto, potrebbe risolvere un problema di lunga data.”
Sebbene la nuova teoria non possa essere testata direttamente in ambienti cosmici distanti, precedenti esperimenti di laboratorio sembrano supportarne i risultati. Nel 2012, i ricercatori del Wisconsin Plasma Physics Laboratory hanno osservato un comportamento del campo magnetico che le teorie esistenti non erano in grado di spiegare. Il nuovo modello sviluppato da Tripathi e dai suoi colleghi si allinea maggiormente con questi enigmatici risultati sperimentali.
Implicazioni per i buchi neri, le stelle di neutroni e il meteo spaziale
I risultati potrebbero avere importanti implicazioni in tutto il campo dell’astrofisica.
“Questo lavoro ha il potenziale per spiegare le dinamiche magnetiche rilevanti, ad esempio, nelle fusioni di stelle di neutroni e nella formazione di buchi neri, con applicazioni dirette all’astronomia multimessaggera”, afferma Tripathi. “Potrebbe anche contribuire a una migliore comprensione dei campi magnetici stellari e a prevedere le espulsioni di gas dal Sole verso la Terra.”
La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation (2409206) e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DE-SC0022257) attraverso la partnership DOE/NSF in Basic Plasma Science and Engineering. Il supercomputer Anvil della Purdue University è stato utilizzato grazie all’assegnazione TG-PHY130027 del programma Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support (ACCESS), finanziato dalla National Science Foundation (2138259, 2138286, 2138307, 2137603 e 2138296).
Abstract
A ogni scala in cui si manifestano, i campi magnetici influenzano diversi fenomeni, tra cui la formazione stellare, il trasporto dei raggi cosmici, l’accelerazione delle particelle cariche, le condizioni meteorologiche spaziali, il trasporto nelle atmosfere planetarie e nei plasmi di laboratorio. Questi campi sono spesso generati e sostenuti da flussi turbolenti in un processo chiamato dinamo. Nel 1955, E.N. Parker parametrizzò gli effetti della turbolenza su piccola scala per proporre una teoria della dinamo a campo medio. La teoria ampiamente utilizzata riproduce i campi su larga scala osservati, ma soffre di difficoltà nella regolazione dei parametri poiché questi non sono giustificati dai principi primi: gli studi sui flussi turbolenti mostrano campi magnetici aggrovigliati, che vengono ripiegati e frammentati in strutture su piccola scala a causa della deformazione da flusso di taglio. Qui, considerando un flusso di taglio instabile e guidato, sviluppiamo una teoria analitica ed eseguiamo simulazioni computerizzate avanzate tridimensionali della turbolenza con fino a 4.096 × 4.096 × 8.192 punti griglia, mostrando la generazione ab initio di campi magnetici quasi periodici su larga scala. La generazione avviene tramite l’effetto vorticità media, un ulteriore processo di dinamo di campo medio postulato 4 nel 1990. Cruciale per questa dinamo è la precedente generazione di getti tridimensionali su larga scala, prodotti in modo robusto come soluzioni non lineari esatte e topologicamente protette delle equazioni magnetoidrodinamiche. La dinamo a getto si applica a sistemi di laboratorio e astrofisici guidati da taglio. Questi includono fusioni di stelle di neutroni binarie, dove la dinamo segnalata probabilmente opera su scale temporali di microsecondi per produrre in millisecondi alcuni dei campi magnetici più intensi dell’Universo, fornendo segnali per l’astronomia multimessaggera
Materials provided by University of Wisconsin-Madison. Note: Content may be edited for style and length.
B. Tripathi, A. E. Fraser, P. W. Terry, E. G. Zweibel, M. J. Pueschel, R. Fan. Large-scale dynamos driven by shear-flow-induced jets. Nature, 2026; 649 (8098): 848 DOI: 10.1038/s41586-025-09912-0
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