Ciencia
El Cosmos y la Humanidad. NASA

La dínamo turbulenta, una de las teorías más populares para la generación de campo magnético cósmico, ha sido confirmada experimentalmente en un laboratorio de la Universidad de Chicago.

Al crear un plasma turbulento caliente del tamaño de un centavo, que dura unas pocas milmillonésimas de segundo, los investigadores registraron cómo los movimientos turbulentos pueden amplificar un campo magnético débil hasta las fuerzas de los observados en nuestro sol, las estrellas distantes y las galaxias.

El documento, publicado esta semana en Nature Communications, es la primera demostración de laboratorio de una teoría, que explica el campo magnético de numerosos cuerpos cósmicos, debatida por físicos durante casi un siglo.

Usando el código de simulación de física FLASH, desarrollado por el Centro Flash para Ciencia Computacional en UChicago, los investigadores diseñaron un experimento llevado a cabo en la Instalación Láser OMEGA en Rochester, Nueva York, para recrear condiciones de dínamo turbulenta.

Confirmando décadas de simulaciones numéricas, el experimento reveló que el plasma turbulento podría aumentar drásticamente un campo magnético débil hasta la magnitud observada por los astrónomos en estrellas y galaxias.

"Ahora sabemos con certeza que la dínamo turbulenta existe, y que es uno de los mecanismos que realmente puede explicar la magnetización del universo", dijo Petros Tzeferacos, profesor asistente de investigación de astronomía y astrofísica y director asociado del Centro Flash. "Esto es algo que esperábamos saber, y ahora lo hacemos".

Una dínamo mecánica produce una corriente eléctrica mediante la rotación de las bobinas a través de un campo magnético. En astrofísica, la teoría de la dinamo propone lo contrario: el movimiento del fluido conductor eléctrico crea y mantiene un campo magnético.

A principios del siglo XX, el físico Joseph Larmor propuso que tal mecanismo podría explicar el magnetismo de la Tierra y el Sol, inspirando décadas de debate científico e investigación.

Aunque las simulaciones numéricas demostraron que el plasma turbulento puede generar campos magnéticos a la escala de los observados en estrellas, planetas y galaxias, la creación de una dinamo turbulenta en laboratorio fue mucho más difícil.

Confirmar la teoría requiere producir plasma a temperaturas y volatilidades extremadamente altas para producir la turbulencia suficiente para doblar, estirar y amplificar el campo magnético.

Para diseñar un experimento que crea esas condiciones, Tzeferacos y sus colegas en UChicago y la Universidad de Oxford realizaron cientos de simulaciones bidimensionales y tridimensionales con FLASH en la supercomputadora Mira del Laboratorio Nacional Argonne.

La configuración final involucró la explosión de dos piezas de papel de tamaño de un centavo con láseres potentes, propulsando dos chorros de plasma a través de rejillas y en colisión entre sí, creando un movimiento fluido turbulento.

"La gente ha soñado con hacer este experimento con láseres durante mucho tiempo, pero realmente se necesitó el ingenio de este equipo para que esto sucediera", dijo Donald Lamb, Profesor Emérito en Astronomía y Astrofísica y director del Flash Center.

"Este es un gran avance".

El equipo también usó simulaciones FLASH para desarrollar dos métodos independientes para medir el campo magnético producido por el plasma: radiografía de protones, tema de un artículo reciente del grupo FLASH; y luz polarizada, basada en cómo los astrónomos miden los campos magnéticos de objetos distantes.

Ambas mediciones rastrearon el crecimiento en meros nanosegundos del campo magnético desde su estado inicial débil hasta más de 100 kiloGauss, más fuerte que un escáner MRI de alta resolución y un millón de veces más potente que el campo magnético de la Tierra.

"Este trabajo abre la oportunidad de verificar experimentalmente ideas y conceptos sobre el origen de los campos magnéticos en el universo que se han propuesto y estudiado teóricamente durante la mayor parte de un siglo", dijo Fausto Cattaneo, profesor de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Chicago y co-autor del artículo.

Ahora que se puede crear un dínamo turbulenta en un laboratorio, los científicos pueden explorar preguntas más profundas sobre su función: ¿Con qué rapidez aumenta el campo magnético en fuerza? ¿Qué fuerza puede alcanzar el campo? ¿Cómo altera el campo magnético la turbulencia que lo amplificó?

"Una cosa es tener teorías bien desarrolladas, pero otra cosa es demostrarlo realmente en un entorno de laboratorio controlado donde se pueden hacer todo tipo de mediciones sobre lo que está sucediendo".

"Ahora que podemos hacerlo, podemos empujarlo y probarlo".