02:57 04 Dicembre 2020
Scienza e tech
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Per la prima volta, un gruppo internazionale di ricercatori dell'Università di Osaka (Giappone), della National Research Nuclear University MEPhI (Russia) e dell'Università di Bordeaux (Francia) è riuscito a produrre in laboratorio un plasma identico alla materia che si trova nel disco di accrescimento di un buco nero.

L'analisi della radiazione a raggi X provenienti dagli oggetti spaziali è uno dei metodi più importanti utilizzati in astrofisica. Una delle fonti cosmiche di forti radiazioni di raggi X, come spiegato dagli scienziati della National Research Nuclear University MEPhI (NRNU MEPhI), sono i dischi di accrescimento dei buchi neri, la materia che cade nel buco e riscaldata allo stato plasma dalla forza di gravità.

Un piccolo volume di plasma con caratteristiche identiche alla materia del disco di accrescimento di un buco nero è stato per la prima volta ricreato in laboratorio da un team internazionale di scienziati, che includeva specialisti di NRNU MEPhI. I risultati di questo studio sperimentale sono pubblicati sulla rivista Physical Review.

"L'astrofisica è stata a lungo considerata la sorte degli osservatori, poiché sembrava, per usare un eufemismo, difficile influenzare i fenomeni che studia, o ancor più riprodurli. L'unicità del nostro esperimento è che i parametri del plasma ottenuto non hanno bisogno di essere messi in scala, corrispondono essi stessi ai parametri effettivi del plasma che si trova in prossimità di buchi neri tipo quello del sistema binario di Cygnus X-1 (una delle sorgenti di raggi X più intense rilevabili dalla Terra)", - ha osservato Philip Korneev, professore associato dell'Istituto di tecnologie laser e plasma della NRNU MEPhI.

Il fattore chiave che sprigiona le sorgenti di raggi X di questo tipo, secondo gli scienziati, è un forte campo magnetico, la cui induzione raggiunge diverse migliaia di Tesla (nelle macchie solari si ritiene che l’induzione sia 0,1 Tesla). Lo scopo dell'esperimento era testare il metodo per creare tali campi magnetici nel plasma, sviluppato congiuntamente dagli scienziati dell'Istituto LaPlaz dell'Università Nazionale di Ricerca Nucleare MEPhI e dal laboratorio CELIA dell'Università di Bordeaux.

"L'esperienza ha dimostrato che il nostro metodo consente non solo di creare campi magnetici quasi stazionari ultraelevati di magnitudo record, ma anche di simulare lo stato del plasma che si manifesta in essi con un'elevata densità energetica di materia ed energia elettromagnetica, che è richiesta dalla moderna astrofisica di laboratorio", ha detto Philip Korneev.

L'idea del metodo, secondo gli scienziati, si basa sull'effetto di riflessione di un potente raggio laser lungo la superficie interna a spirale del bersaglio. Come bersaglio è stato utilizzato un pezzo arrotolato di pellicola sottile di diverse centinaia di micron di diametro. Un impulso laser con un'energia di circa 330 Joule e una durata di un picosecondo è stato quasi completamente assorbito nella cavità bersaglio, creando al suo interno un plasma relativistico e un campo magnetico con un'induzione di oltre duemila Tesla.

"A causa del fatto che un laser piuttosto potente è stato focalizzato su di un bersaglio così piccolo, per una durata così breve, solo un millesimo di miliardesimo di secondo, la potenza dell'impulso si è rivelata in proporzione circa venti volte superiore al consumo di energia dell'intera Terra. Di conseguenza, per diversi picosecondi, si è formato un plasma nel volume del bersaglio, con una temperatura di miliardi di gradi, una densità di 1.018 particelle per cm3, e un campo magnetico in quell’attimo di oltre 2000 Tesla, che corrisponde ai parametri del plasma nella regione attiva delle sorgenti di raggi X", ha spiegato Philip Korneev.

Il volume risultante di plasma caldo e altamente magnetizzato è risultato sufficientemente grande da possedere le caratteristiche essenziali di un sistema astrofisico completo, hanno detto gli scienziati. Secondo questi, ciò è stato facilitato dalla geometria dell'esperimento: all'interno del volume del plasma, i campi magnetici erano diretti l'uno verso l'altro in modo che nell'area di contatto delle linee magnetiche opposte avvenisse l'annichilazione del campo magnetico, portando alla comparsa di flussi di particelle con velocità prossime alla velocità della luce.

Il nuovo metodo di creazione di campi magnetici superpotenti, come spiegato dagli scienziati della NRNU MEPhI, consentirà in futuro di migliorare la tecnica per creare fasci di particelle diretti, rendendola più precisa e potente. Tali dispositivi sono ampiamente utilizzati nella scienza sperimentale, nella medicina e nei sistemi di sicurezza.

Lo studio è stato condotto da un team internazionale con la partecipazione di scienziati giapponesi (Università di Osaka), Francia (Università di Bordeaux), Germania e Russia. L'esperimento è stato condotto nella struttura laser LFEX presso l'Istituto di ingegneria laser, Università di Osaka (Giappone).

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