60 Años de Explosiones Magnéticas Rápidas Descifradas

En solo minutos, una llamarada en el Sol puede liberar suficiente energía para alimentar al mundo entero durante 20.000 años. Un proceso explosivo llamado reconexión magnética desencadena estas erupciones solares y los científicos han pasado el último medio siglo tratando de entender cómo ocurre el proceso.

No es solo una curiosidad científica: una comprensión más completa de la reconexión magnética podría permitir comprender mejor la fusión nuclear y proporcionar mejores predicciones de las tormentas de partículas del Sol que pueden afectar la tecnología que orbita la Tierra.

Ahora, los científicos de la Misión Magnetosférica Multiescala de la NASA, o MMS, creen que lo han descubierto. Los científicos han desarrollado una teoría que explica cómo ocurre el tipo más explosivo de reconexión magnética, llamada reconexión rápida, y por qué ocurre a una velocidad constante. La nueva teoría utiliza un efecto magnético común que se usa en dispositivos domésticos, como sensores que cronometran los sistemas de frenos antibloqueo del vehículo y saben cuándo está cerrada la tapa de un teléfono celular.

«Finalmente entendemos qué hace que este tipo de reconexión magnética sea tan rápida», dijo el autor principal del nuevo estudio, Yi-Hsin Liu, profesor de física en Dartmouth College en New Hampshire y subdirector del equipo de teoría y modelado de MMS. «Ahora tenemos una teoría para explicarlo completamente».

La reconexión magnética es un proceso que ocurre en el plasma, a veces llamado el cuarto estado de la materia. El plasma se forma cuando un gas se ha energizado lo suficiente como para romper sus átomos, dejando una variedad de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente que existen uno al lado del otro. Este material energético, similar a un fluido, es exquisitamente sensible a los campos magnéticos.

Desde las erupciones en el Sol hasta el espacio cercano a la Tierra y los agujeros negros, los plasmas de todo el universo experimentan una reconexión magnética, que convierte rápidamente la energía magnética en calor y aceleración. Si bien existen varios tipos de reconexión magnética, una variante particularmente desconcertante se conoce como reconexión rápida, que ocurre a un ritmo predecible.

“Sabemos desde hace un tiempo que la reconexión rápida ocurre a un cierto ritmo que parece ser bastante constante”, dijo Barbara Giles, científica del proyecto para MMS y científica investigadora en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “Pero lo que realmente impulsa esa tasa ha sido un misterio, hasta ahora”.

La nueva investigación, publicada en un artículo en la revista Nature’s Communications Physics y financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias, explica qué tan rápido ocurre la reconexión específicamente en plasmas sin colisión, un tipo de plasma cuyas partículas están lo suficientemente dispersas como para que las partículas individuales no choquen entre sí. Donde ocurre la reconexión en el espacio, la mayor parte del plasma se encuentra en este estado sin colisiones, incluido el plasma en las erupciones solares y el espacio alrededor de la Tierra.

La nueva teoría muestra cómo y por qué es probable que el efecto Hall acelere la reconexión rápida, que describe la interacción entre los campos magnéticos y las corrientes eléctricas. El efecto Hall es un fenómeno magnético común que se usa en la tecnología cotidiana, como los sensores de velocidad de las ruedas de los vehículos y las impresoras 3D, donde los sensores miden la velocidad, la proximidad, el posicionamiento o las corrientes eléctricas.

This visualization shows the Hall effect, which occurs when the motion of the heavier ions (blue) decouple from the lighter electrons (red) as they enter the region with strong electric currents (golden region). Credits: Tom Bridgman/NASA's Scientific Visualization Studio — This visualization shows the Hall effect, which occurs when the motion of the heavier ions (blue) decouple from the lighter electrons (red) as they enter the region with strong electric currents (golden region). Credits: Tom Bridgman/NASA’s Scientific Visualization Studio

Durante la reconexión magnética rápida, las partículas cargadas en un plasma, concretamente iones y electrones, dejan de moverse como grupo. A medida que los iones y los electrones comienzan a moverse por separado, dan lugar al efecto Hall, creando un vacío de energía inestable donde ocurre la reconexión. La presión de los campos magnéticos alrededor del vacío de energía hace que el vacío implosione, lo que libera rápidamente inmensas cantidades de energía a un ritmo predecible.

La nueva teoría se probará en los próximos años con MMS, que utiliza cuatro naves espaciales que vuelan alrededor de la Tierra en una formación piramidal para estudiar la reconexión magnética en plasmas sin colisiones. En este laboratorio espacial único, MMS puede estudiar la reconexión magnética a una resolución más alta que la que sería posible en la Tierra.

“Si podemos entender cómo funciona la reconexión magnética, entonces podemos predecir mejor los eventos que pueden impactarnos en la Tierra, como tormentas geomagnéticas y erupciones solares”, dijo Giles. «Y si podemos entender cómo se inicia la reconexión, también ayudará a la investigación energética porque los investigadores podrían controlar mejor los campos magnéticos en los dispositivos de fusión».

Fuente: NASA

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In just minutes, a flare on the Sun can release enough energy to power the whole world for 20,000 years. An explosive process called magnetic reconnection triggers these solar flares and scientists have spent the last half-century trying to understand how the process happens.

It’s not just a scientific curiosity: A fuller understanding of magnetic reconnection could enable insights into nuclear fusion and provide better predictions of particle storms from the Sun that can affect Earth-orbiting technology.

Now, scientists with NASA’s Magnetospheric Multiscale Mission, or MMS, think they’ve figured it out. The scientists have developed a theory that explains how the most explosive type of magnetic reconnection – called fast reconnection – occurs and why it happens at a consistent speed. The new theory uses a common magnetic effect that’s used in household devices, such as sensors that time vehicle anti-lock braking systems and know when a cell phone flip cover is closed.

“We finally understand what makes this type of magnetic reconnection so fast,” said lead author on the new study Yi-Hsin Liu, a physics professor at Dartmouth College in New Hampshire and the deputy-lead of MMS’ theory and modeling team. “We now have a theory to explain it fully.”

Magnetic reconnection is a process that occurs in plasma, sometimes called the fourth state of matter. Plasma forms when a gas has been energized enough to break apart its atoms, leaving a motley of negatively charged electrons and positively charged ions existing side-by-side. This energetic, fluid-like material is exquisitely sensitive to magnetic fields.

From flares on the Sun, to near-Earth space, to black holes, plasmas throughout the universe undergo magnetic reconnection, which rapidly converts magnetic energy into heat and acceleration. While there are several types of magnetic reconnection, one particularly puzzling variant is known as fast reconnection, which occurs at a predictable rate.

“We have known for a while that fast reconnection happens at a certain rate that seems to be pretty constant,” said Barbara Giles, project scientist for MMS and research scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “But what really drives that rate has been a mystery, until now.”

The new research, published in a paper in Nature’s Communications Physics journal and funded in part by the National Science Foundation, explains how fast reconnection occurs specifically in collisionless plasmas – a type of plasma whose particles are spread out enough that the individual particles don’t collide with one another. Where reconnection happens in space, most plasma is in this collisionless state, including the plasma in solar flares and the space around Earth.

The new theory shows how and why fast reconnection is likely sped up by the Hall effect, which describes the interaction between magnetic fields and electric currents. The Hall effect is a common magnetic phenomenon that’s used in everyday technology, like vehicle wheel speed sensors and 3D printers, where sensors measure speed, proximity, positioning, or electrical currents.

During fast magnetic reconnection, charged particles in a plasma – namely ions and electrons – stop moving as a group. As the ions and electrons begin moving separately, they give rise to the Hall effect, creating an unstable energy vacuum where reconnection happens. Pressure from the magnetic fields around the energy vacuum causes the vacuum to implode, which quickly releases immense amounts of energy at a predictable rate.

The new theory will be tested in the coming years with MMS, which uses four spacecraft flown around Earth in a pyramid formation to study magnetic reconnection in collisionless plasmas. In this unique space laboratory, MMS can study magnetic reconnection at a higher resolution than would be possible on Earth.

“Ultimately, if we can understand how magnetic reconnection operates, then we can better predict events that can impact us at Earth, like geomagnetic storms and solar flares,” Giles said. “And if we can understand how reconnection is initiated, it will also help energy research because researchers could better control magnetic fields in fusion devices.”

Source: NASA