Ya sea dentro de una galaxia o en un dispositivo de fusión con forma de rosquilla conocido como tokamak, el cuarto estado de la materia cargado eléctricamente conocido como plasma encuentra regularmente fuertes campos magnéticos, cambiando de forma y chapoteando hacia el espacio. Ahora, una nueva técnica de medición que utiliza protones, las partículas subatómicas que forman el núcleo de los átomos, ha capturado los detalles de este chapoteo por primera vez, proporcionando potencialmente información sobre la formación de chorros de plasma masivos que se extienden hacia las estrellas.
Los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han producido imágenes detalladas de un campo magnético curvado hacia afuera por la presión creada por el plasma en expansión. A medida que el plasma incide en el campo magnético, se producen burbujas y espuma conocidas como inestabilidad magneto-Rayleigh Taylor en el límite, formando estructuras columnares y en forma de hongos.
Luego, a medida que la energía del plasma disminuye, las líneas del campo magnético vuelven a sus posiciones originales. Como resultado, el plasma se comprimió en una estructura simple similar a los chorros de plasma que pueden fluir desde estrellas muertas súper densas conocidas como agujeros negros y extenderse a distancias muchas veces mayores que el tamaño de una galaxia. Los resultados sugieren que esos chorros, cuyas causas siguen siendo un misterio, pueden estar formados por el mismo campo magnético comprimido observado en este estudio.
“Cuando hicimos el experimento y analizamos los datos, descubrimos que teníamos algo grande”, dijo Sofia Malko, física investigadora del personal de PPPL y científica principal del artículo. “Se pensaba que se observaba la inestabilidad Magneto-Rayleigh Taylor que surge de la interacción del plasma y el campo magnético, pero nunca se había visto directamente hasta ahora. Esta observación ayuda a confirmar que esta inestabilidad ocurre cuando el plasma se acopla a un campo magnético en expansión. Nosotros no lo hicimos. “¡Todo nuestro equipo está encantado de saber que nuestros diagnósticos tendrán tanta precisión!”
“Estos experimentos muestran que los campos magnéticos son muy importantes para la formación de chorros de plasma”, dijo Will Fox, físico investigador del PPPL e investigador principal del estudio publicado en Physical Review Research. “Ahora que podemos tener una idea de lo que produce estos chorros, podemos, en teoría, estudiar los chorros astrofísicos gigantes y aprender algo sobre los agujeros negros”.
PPPL tiene experiencia de renombre mundial en el desarrollo y fabricación de sensores de diagnóstico que miden propiedades como la concentración y la temperatura en el plasma en diversas condiciones. El logro es uno de varios de los últimos años que ilustran cómo el laboratorio está avanzando en la innovación de mediciones en la física del plasma.
Utilizando una nueva técnica para producir detalles sin precedentes
El equipo desarrolló una nueva variación para esta prueba, una técnica de medición conocida como radiografía de protones que permitiría mediciones de alta precisión. Para crear el plasma, el equipo apuntó un potente láser sobre un pequeño disco de plástico. Para crear protones, hicieron brillar 20 láseres sobre cápsulas alimentadas con diferentes tipos de átomos de hidrógeno y helio. A medida que el combustible se calienta, se producen reacciones de fusión y se emiten protones y ráfagas de luz intensa conocidas como rayos X.
El equipo también instaló una lámina de malla con pequeños agujeros cerca de la cápsula. A medida que los protones fluían a través de la malla, el flujo se dividía en pequeños haces individuales que eran doblados por el campo magnético circundante. Al comparar la imagen de la red deformada con una imagen no distorsionada producida por rayos X, el equipo puede comprender cómo el plasma en expansión empuja los campos magnéticos, lo que genera inestabilidades similares a vórtices en los bordes.
“Nuestro experimento fue único porque pudimos ver directamente cambios en el campo magnético a lo largo del tiempo”, dijo Fox. “Podemos observar directamente cómo el campo es expulsado y reacciona en el plasma en una especie de tira y afloja”.
Diversificar una cartera de investigación
Los resultados ejemplifican cómo PPPL está ampliando su enfoque para incluir investigaciones centradas en plasmas de alta densidad de energía (HED). Estos plasmas, como el creado en la cápsula de combustible de este experimento, son más calientes y más densos que los plasmas utilizados en los experimentos de fusión. “Los plasmas HED son un área apasionante de crecimiento en la física del plasma”, dijo Fox. “Este trabajo es parte de los esfuerzos de PPPL para avanzar en este campo. Los resultados muestran cómo el laboratorio puede desarrollar diagnósticos avanzados para brindarnos nuevos conocimientos sobre este tipo de plasma, que puede usarse en dispositivos de fusión láser, así como técnicas que utilizar radiación para producir microelectrónica.” Plasma HED para hacer.”
“PPPL tiene un gran conocimiento y experiencia en plasmas magnéticos que pueden contribuir y ayudar a realizar contribuciones significativas al campo de los plasmas HED generados por láser”, dijo Fox.
“La ciencia HED es la clave para comprender fenómenos complejos, fascinantes y generalizados”, dijo Laura Barczak Hopkins, directora asociada del laboratorio de estrategia y asociaciones de PPPL y subdirectora de investigación. “Crear estas condiciones de manera controlada y desarrollar diagnósticos avanzados para mediciones precisas son increíblemente desafiantes. Estos emocionantes resultados demuestran el impacto de integrar la amplia experiencia técnica de PPPL con enfoques innovadores”.
Más pruebas y mejores simulaciones
Los investigadores planean trabajar en futuros experimentos que ayudarán a mejorar los modelos de expansión del plasma. “Los científicos suponían que en esta situación la densidad y el magnetismo cambian directamente, pero resulta que eso no es cierto”, afirmó Malko.
“Ahora que hemos medido estas perturbaciones con mucha precisión, tenemos la información que necesitamos para mejorar nuestros modelos y potencialmente simular y comprender los chorros astrofísicos en un mayor grado que antes”, dijo Malko. “Es interesante que los humanos puedan fabricar en un laboratorio algo que normalmente existe en el espacio”.
Entre los colaboradores se incluyen investigadores de la Universidad de California-Los Ángeles, la Universidad de la Sorbona, la Universidad de Princeton y la Universidad de Michigan. La investigación fue financiada por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del DOE bajo el número de contrato DE-AC02-09CH11466. El experimento se llevó a cabo utilizando la instalación de láser Omega de la Universidad de Rochester bajo el contrato número DE-NA0003856 del DOE/Administración Nacional de Seguridad Nuclear.