Simulazioni al supercomputer svelano il mistero dei campi magnetici cosmici
Le simulazioni al supercomputer più avanzate mai realizzate potrebbero aver finalmente risolto uno dei grandi enigmi dell’astrofisica: come nascono i campi magnetici cosmici su larga scala a partire dal caos turbolento dello spazio. Un team guidato da scienziati della University of Wisconsin-Madison ha pubblicato su Nature i risultati di un lavoro computazionale colossale, capace di riscrivere parecchie pagine di quello che sappiamo su stelle, buchi neri e tempeste solari.
Il punto di partenza è semplice da capire, anche se la soluzione non lo è affatto. I campi magnetici sono ovunque nell’universo: nei pianeti, nelle stelle, nelle galassie intere. Influenzano le tempeste solari, il movimento delle particelle ad alta energia, persino la formazione delle galassie. Il problema è che, su piccola scala, questi campi sono disordinati e turbolenti, mentre su grande scala appaiono sorprendentemente organizzati. Per decenni nessuno è riuscito a spiegare come il disordine cosmico potesse generare strutture così ordinate. Le simulazioni al supercomputer condotte dal team hanno utilizzato 137 miliardi di punti griglia nello spazio tridimensionale, producendo 0,25 petabyte di dati e consumando quasi 100 milioni di ore di calcolo sul supercomputer Anvil della Purdue University. Circa 90 simulazioni in totale, un’impresa computazionale senza precedenti.
Il ruolo dei gradienti di velocità nella formazione dei campi magnetici
La chiave della scoperta sta in un concetto che, nella vita quotidiana, si può immaginare così: un ciclista che sbatte contro un marciapiede subisce un brusco gradiente di velocità, perché la bici si ferma ma il corpo continua a muoversi in avanti. Effetti simili si verificano all’interno del Sole, durante le fusioni di stelle di neutroni e in molti altri contesti cosmici. Il team ha inserito nelle simulazioni un gradiente di velocità costantemente rinnovato, e il risultato è stato sorprendente: dal caos iniziale emergevano col tempo strutture magnetiche ampie e ordinate. Quando lo stesso esperimento veniva ripetuto senza mantenere quel gradiente, le strutture organizzate semplicemente non comparivano. Il sistema restava caotico. Come ha sottolineato Bindesh Tripathi, primo autore dello studio e attualmente ricercatore alla Columbia University, la turbolenza è nota per essere un agente distruttivo, eppure in presenza di quel gradiente riesce a costruire qualcosa di ordinato.
Implicazioni per buchi neri, stelle di neutroni e meteo spaziale
Per quasi 70 anni gli scienziati hanno studiato le cosiddette dinamo magnetiche, cioè i processi che generano campi magnetici, ottenendo quasi sempre risultati frustranti: i campi generati restavano piccoli e disordinati, in netto contrasto con le osservazioni astronomiche reali. Paul Terry, professore di fisica alla UW-Madison e coautore senior dello studio, ha definito questo lavoro come una potenziale risoluzione di un problema annoso. E anche se la teoria non può essere testata direttamente in ambienti cosmici lontani, esperimenti di laboratorio condotti nel 2012 al Wisconsin Plasma Physics Laboratory sembrano supportare i nuovi risultati. All’epoca si osservarono comportamenti dei campi magnetici che nessun modello riusciva a spiegare. Il modello sviluppato da Tripathi e colleghi si allinea molto meglio con quei dati sperimentali. Le ricadute pratiche delle simulazioni al supercomputer sono potenzialmente enormi: dalla comprensione della dinamica magnetica nelle fusioni di stelle di neutroni e nella formazione dei buchi neri, fino alla capacità di prevedere le espulsioni di gas dal Sole verso la Terra, un tema che riguarda direttamente la sicurezza delle infrastrutture tecnologiche terrestri. La ricerca, finanziata dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, segna un passo avanti che potrebbe cambiare il modo in cui guardiamo il magnetismo cosmico. E tutto è partito, in fondo, da una simulazione e dalla curiosità di capire come il caos possa generare ordine.
