El físico Andrew Alt frente a una imagen de una eyección de masa coronal. Fuente: Elle Starkman / Foto solar de NASA Goddard Media Studios
Todos los días, el sol arroja grandes cantidades de una sopa caliente de partículas llamada plasma hacia la Tierra, donde puede interrumpir los satélites de telecomunicaciones y dañar las redes eléctricas. Ahora, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) y del Departamento de Astrofísica de la Universidad de Princeton han hecho descubrimientos que podrían conducir a mejores pronósticos del clima espacial y ayudar a proteger la infraestructura sensible.
El descubrimiento proviene de un nuevo modelo informático que predice el comportamiento del plasma en un área conocida como corona solar sobre la superficie del sol. El modelo se inspiró originalmente en un modelo similar que describe el comportamiento del plasma que impulsa las reacciones de fusión en instalaciones de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks.
La fusión, el poder que impulsa al sol y las estrellas, combina los elementos ligeros en forma de plasma, el estado caliente y cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, que genera enormes cantidades de energía. Los científicos están intentando recrear la fusión nuclear en la Tierra para obtener una fuente de energía prácticamente inagotable para generar electricidad.
Los científicos de Princeton hicieron sus descubrimientos al estudiar los campos magnéticos interconectados que entran y salen del sol. Bajo ciertas condiciones, los bucles pueden hacer que las partículas calientes exploten desde la superficie del Sol en explosiones gigantes conocidas como eyecciones de masa coronal. Estas partículas pueden eventualmente golpear el campo magnético que rodea la Tierra y causar auroras, así como también interrumpir los sistemas eléctricos y de comunicación.
“Necesitamos comprender las causas de estas erupciones para predecir el clima espacial”, dijo Andrew Alt, alumno del Programa de Princeton en Física del Plasma en PPPL y autor principal del artículo que describe los resultados en Diario astrofísico.
El modelo se basa en un nuevo método matemático que incluye una mirada novedosa a las causas de la inestabilidad que Alt y sus colegas han descubierto. Los científicos han descubierto que un tipo de vibración conocida como “inestabilidad del toro” puede desprender un campo magnético asociado de la superficie del Sol, provocando una inundación de plasma.
La inestabilidad del toro relaja algunas de las fuerzas que mantienen atadas las cuerdas. A medida que estas fuerzas se debilitan, una fuerza diferente hace que las cuerdas se expandan y se alejen de la superficie del sol. “La capacidad de nuestro modelo para predecir con precisión el comportamiento de las cuerdas magnéticas indica que, en última instancia, nuestro método puede utilizarse para mejorar la predicción del tiempo espacial”, dijo Alt.
Los científicos también han encontrado una manera de traducir con mayor precisión los resultados de laboratorio a condiciones solares. Los modelos anteriores se basaban en suposiciones que facilitaban los cálculos, pero no siempre simulaban el plasma con precisión. La nueva técnica se basa únicamente en datos brutos. “Las suposiciones incorporadas en modelos anteriores eliminan importantes efectos físicos que queremos considerar”, dijo Alt. “Sin estas suposiciones, podemos hacer pronósticos más precisos”.
Para llevar a cabo su investigación, los científicos crearon flujos magnéticos dentro del proyecto PPPL Magnetic Reconnection Experiment (MRX), una máquina de barril diseñada para estudiar la convergencia y la desintegración de las líneas del campo magnético en el plasma. Pero los cables de fundente desarrollados en laboratorio se comportan de manera diferente a los cables al sol porque, por ejemplo, los cables de fundente en un laboratorio deben guardarse en un recipiente de metal.
Los científicos han realizado cambios en sus herramientas matemáticas para tener en cuenta estas diferencias, asegurando que los resultados de MRX se puedan transferir al sol. “Hay condiciones en el sol que no podemos imitar en un laboratorio”, dijo el físico de PPPL Hantao Ji, profesor de la Universidad de Princeton que asesora a Alt y participó en el estudio. “Así que ajustamos nuestras ecuaciones para tener en cuenta la ausencia o presencia de ciertas propiedades físicas. Necesitamos asegurarnos de que nuestra investigación compare manzanas con manzanas para que nuestros resultados sean precisos.
El descubrimiento del plasma vibrante también podría conducir a una generación más eficiente de electricidad de fusión. La reconexión magnética y el comportamiento asociado del plasma ocurren tanto en los tokamaks como en el sol, por lo que cualquier conocimiento sobre estos procesos podría ayudar a los científicos a controlarlos en el futuro.
El apoyo para esta investigación provino del DOE, la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio y la Fundación de Investigación Alemana. Los socios de investigación son la Universidad de Princeton, Sandia National Laboratories, la Universidad de Potsdam, el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica y la Academia de Ciencias de Bulgaria.
PPPL en la Universidad de Princeton en el campus de Forrestal en Plainsboro, Nueva Jersey, se dedica a generar nuevos conocimientos sobre la física del plasma (gases cargados ultracalientes) y a desarrollar soluciones prácticas para la generación de energía de fusión. El laboratorio es administrado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos, que es el mayor contribuyente a la investigación fundamental en las ciencias físicas en los Estados Unidos, y trabaja para enfrentar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo. Para más información visite energy.gov/science
Proporcionado por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton