Collisionless Shock Driven by a Supersonic Velocity Shear

Attraverso l'universo, dai vorticosi fiumi di gas attorno ai buchi neri ai flussi turbolenti nella nostra stessa atmosfera, la materia raramente si muove in un'unica, uniforme direzione. Invece, strati di fluido spesso scivolano l'uno sull'altro a velocità diverse, creando ciò che gli scienziati chiamano un gradiente di velocità (velocity shear). Nel mondo familiare dell'acqua o dell'aria, l'attrito tra questi strati alla fine li rallenta, trasformando il loro moto in calore. Ma nel vasto vuoto dello spazio, dove la materia esiste come un gas sottile e caricamente elettrico noto come plasma, non c'è attrito di cui parlare. Le particelle sono così distanti tra loro che raramente collidono. Questo crea un profondo mistero: se questi strati non possono sfregare l'uno contro l'altro per perdere energia, come fa lo shear a fermarsi infine, e dove va tutto quel moto? Inoltre, l'universo è pieno di particelle ad alta energia che sembrano nascere proprio da questi shear, eppure gli scienziati hanno faticato a spiegare come le particelle ottengano la "spinta" iniziale necessaria per entrare in questo processo di accelerazione.

Un team di ricercatori dell'Università di Tokyo ha esaminato questo problema con una nuova prospettiva, simulando una versione specifica ed estrema di questo attrito cosmico. Si sono concentrati su uno scenario in cui due flussi di elettroni e i loro corrispettivi di antimateria, i positroni, scivolano l'uno accanto all'altro a velocità che si avvicinano a quella della luce. In questo ambiente, il moto è così veloce che il plasma si comporta diversamente rispetto ai fluidi quotidiani. I ricercatori hanno utilizzato una potente simulazione al computer per osservare, con estremo dettaglio, come questo shear relativistico si evolva nel tempo. Hanno scoperto che l'energia degli strati scivolanti non svanisce semplicemente; al contrario, innesca un'instabilità violenta che converte il moto in intenso calore e potenti campi magnetici. Questo processo agisce come una diga cosmica, accumulando pressione finché non costringe il plasma a schiantarsi su se stesso, creando quelli che sono noti come urti collisionless (collisionless shocks).

Lo studio è iniziato impostando un laboratorio digitale in cui un foglio di plasma si muoveva in una direzione mentre il plasma circostante si muoveva nella direzione opposta a una velocità corrispondente a un fattore di Lorentz di 10 rispetto al flusso locale. Poiché la simulazione era stata progettata per concentrarsi sulla parte più instabile di questo sistema, i ricercatori hanno osservato come un'instabilità specifica, nota come instabilità di Alves, iniziasse a crescere. Questa instabilità agisce come un catalizzatore, afferrando l'energia cinetica degli strati scivolanti e convertendola rapidamente in energia termica e magnetica. Mentre questa conversione avveniva, la pressione al centro dello strato di shear schizzava alle stelle. Il plasma, incapace di contenere questo improvviso aumento di pressione, veniva spinto violentemente verso l'esterno in entrambe le direzioni, perpendicolarmente al flusso.

Questa spinta verso l'esterno ha creato una struttura drammatica e nuova, che non era stata chiaramente vista in studi precedenti di questo tipo. I ricercatori hanno osservato la formazione di due distinti fronti d'urto che si allontanavano dal centro. Nello spazio tra questi urti, il plasma è diventato una regione a bassa densità dove i campi magnetici erano grandi e regolari. Oltre i fronti d'urto, il plasma rimaneva denso e caldo, muovendosi alla sua velocità originale elevata. Gli urti stessi agivano come confini, separando il centro calmo e a bassa densità dalle regioni turbolente e ad alta pressione all'esterno. Questa struttura è fondamentalmente diversa da ciò che accade nei flussi più lenti e subsonici, dove fronti d'urto così netti e organizzati non si formano.

Una parte cruciale della scoperta è stata comprendere cosa accadesse ai campi magnetici all'interno di questi urti. Quando i ricercatori hanno esaminato l'ambiente magnetico nel sistema di riferimento del plasma in entrata, hanno trovato una complessa rete di campi magnetici che puntavano in tutte le direzioni, non solo in una. In molte simulazioni precedenti di urti simili, i campi magnetici venivano generati principalmente in una singola direzione a causa di un tipo specifico di instabilità. Tuttavia, in questo studio, i ricercatori hanno scoperto che il fronte d'urto stesso si muoveva con un angolo rispetto al plasma in entrata. Questo moto angolato ha causato la fuoriuscita delle particelle dalla regione dell'urto in un modo che ha eccitato i campi magnetici in più direzioni simultaneamente. Il risultato è stato un campo magnetico turbolento e multidirezionale che ha riempito la zona di transizione dell'urto.

Questa scoperta è significativa perché affronta un enigma astrofisico di lunga data riguardante il modo in cui le particelle vengono accelerate a energie estreme. Affinché una particella possa essere accelerata da uno shear di velocità, deve prima essere in grado di attraversare lo strato di shear avanti e indietro, un processo che richiede un ambiente magnetico caotico per disperdere la particella. Tuttavia, le particelle devono anche muoversi abbastanza velocemente da attraversare lo strato senza rimanere bloccate, un ostacolo noto come problema dell'iniezione. I ricercatori hanno scoperto che gli urti collisionless osservati generano esattamente il tipo di turbolenza magnetica necessario per disperdere le particelle. Inoltre, poiché questi urti sono noti per accelerare le particelle ad alte energie, essi potrebbero fornire la "spinta" iniziale che permette alle particelle di entrare nel processo di accelerazione per shear. In questo modo, l'urto e lo shear lavorano insieme: l'urto crea la turbolenza e i semi ad alta energia, che poi alimentano il meccanismo di accelerazione per shear più ampio.

La simulazione ha anche rivelato che lo shear di velocità non si è semplicemente livellato nel tempo. Anche dopo che gli urti si sono formati e il plasma si è riorganizzato, sono rimasti confini netti di velocità nei punti di contatto tra le diverse regioni. Questa persistenza di shear netti suggerisce che il processo di dissipazione dell'energia sia complesso e possa continuare a influenzare il modo in cui le particelle vengono accelerate per lunghi periodi. Sebbene la simulazione non sia durata abbastanza a lungo da tracciare l'intero viaggio delle singole particelle ad alta energia, le condizioni create dall'urto e dalla turbolenza risultante suggeriscono fortemente che l'ambiente sia fertile per l'accelerazione delle particelle.

Il lavoro offre una nuova finestra sulla fisica degli ambienti più energetici dell'universo. Mostrando come uno shear di velocità supersonico in un plasma collisionless evolva naturalmente in un sistema di urti e turbolenza magnetica, i ricercatori hanno offerto una potenziale soluzione su come possano nascere i raggi cosmici. Lo studio conferma che anche in un mondo privo di attrito, le leggi della fisica assicurano che il moto venga infine convertito in calore e campi magnetici, guidando i processi violenti che illuminano il cosmo. Le scoperte suggeriscono che la generazione di turbolenza magnetica e l'accelerazione delle particelle non siano eventi separati, ma piuttosto passaggi collegati in una singola, continua catena di trasformazione dell'energia guidata dallo shear stesso.