Gli astronomi hanno sviluppato una simulazione al computer rivoluzionaria per esplorare, con un dettaglio senza precedenti, il magnetismo e la turbolenza nel mezzo interstellare (ISM) e l’enorme oceano di gas e particelle cariche che si estende tra le stelle nella nostra Galassia, la Via Lattea.
Descritto in un nuovo studio pubblicato su Nature Astronomy, il modello è il più potente mai realizzato finora, e ha richiesto la potenza di calcolo del supercomputer SuperMUC-NG del Centro di Supercalcolo Leibniz in Germania e questo modello mette direttamente in discussione la nostra comprensione di come funzioni la turbolenza magnetizzata negli ambienti astrofisici.
In cosa consiste questo nuovo metodo “esplorativo” degli astronomi
James Beattie, autore principale dell’articolo e ricercatore post-dottorato presso il Canadian Institute for Theoretical Astrophysics (CITA) dell’Università di Toronto, spera che il modello fornisca nuove intuizioni sul mezzo interstellare, sul magnetismo della Via Lattea nel suo complesso e su fenomeni astrofisici come la formazione stellare e la propagazione dei raggi cosmici.
“È la prima volta che possiamo studiare questi fenomeni con tale precisione e su scale così diverse“, afferma.
“La turbolenza resta uno dei problemi irrisolti più grandi della meccanica classica“, afferma Beattie, che ricopre anche un incarico congiunto presso l’Università di Princeton. “Eppure è ovunque: dal latte che vortica nel caffè, alle correnti oceaniche caotiche, al vento solare, al mezzo interstellare, persino al plasma tra le galassie. La differenza chiave negli ambienti astrofisici è la presenza di campi magnetici, che alterano in modo fondamentale la natura dei flussi turbolenti“.
Anche se nello spazio interstellare ci sono molte meno particelle rispetto ai più avanzati esperimenti di vuoto ultra-spinto sulla Terra, i loro movimenti sono sufficienti a generare un campo magnetico, non diversamente da come il nucleo fuso del nostro pianeta genera il campo magnetico terrestre.
E benché il campo magnetico galattico sia milioni di volte più debole di una calamita da frigorifero, è comunque una delle forze che plasmano il cosmo.
Il modello di Beattie in versione estesa
La versione più grande del modello di Beattie è un cubo di 10.000 unità per lato, con un livello di dettaglio molto superiore rispetto ai modelli precedenti e oltre all’alta risoluzione, il modello è scalabile e può simulare, nella sua configurazione più grande, un volume di spazio di circa 30 anni luce per lato; nella più piccola, può essere ridotto di un fattore di circa 5000.
Nella sua versione più estesa, il modello può migliorare la nostra comprensione del campo magnetico complessivo della Via Lattea e quando ridotto, può aiutare gli astronomi a comprendere meglio processi più “compatti” come il vento solare, che fluisce dal Sole e influisce fortemente sulla Terra.
Grazie alla sua alta risoluzione, il modello ha anche il potenziale per fornire una comprensione più profonda della formazione stellare. “Sappiamo che la pressione magnetica si oppone alla formazione stellare, spingendo verso l’esterno contro la gravità che cerca di far collassare una nebulosa“, spiega Beattie. “Ora possiamo quantificare in dettaglio cosa aspettarci dalla turbolenza magnetica su quei tipi di scala“.
Per gli astronomi è una manna dal cielo
Oltre alla risoluzione e scalabilità superiori, il modello rappresenta anche un progresso significativo perché simula i cambiamenti dinamici nella densità del mezzo interstellare e da un quasi vuoto incredibilmente rarefatto alle densità più elevate tipiche delle nebulose in cui si formano le stelle.
“Ciò che la nostra simulazione riesce a cogliere davvero bene“, sostiene Beattie, “sono i cambiamenti estremi di densità del mezzo interstellare, una cosa che i modelli precedenti non avevano considerato“.
Mentre sviluppa la prossima generazione del modello (che includerà, tra le altre cose, una risoluzione ancora maggiore) Beattie sta anche testando la simulazione confrontandola con i dati ottenuti dalle osservazioni del sistema Sole-Terra.
“Abbiamo già cominciato a verificare se il modello corrisponde ai dati esistenti sul vento solare e sulla Terra; e i risultati sono molto promettenti“, afferma Beattie. “Questo è molto entusiasmante perché significa che possiamo studiare il meteo spaziale con la nostra simulazione. E il meteo spaziale è molto importante perché riguarda le particelle cariche che bombardano satelliti e astronauti nello spazio, oltre ad avere effetti anche sulla Terra“.
Secondo Beattie, il nuovo modello arriva in un momento di crescente interesse per la turbolenza astrofisica, insieme a un aumento delle osservazioni del mezzo interstellare. E con l’arrivo di nuovi strumenti come il Square Kilometre Array (SKA), in grado di misurare con grande dettaglio le fluttuazioni nei campi magnetici turbolenti della galassia, saranno fondamentali quadri teorici accurati come quello da lui sviluppato per interpretare tali fenomeni.
Una delle cose che più affascinano Beattie di questa ricerca è la sua elegante coerenza, dal plasma intergalattico al vortice in una tazza di caffè.
“Adoro studiare la turbolenza per via della sua universalità“, conclude Beattie. “Ha lo stesso aspetto che tu stia osservando il plasma tra le galassie, all’interno delle galassie, nel sistema solare, in una tazza di caffè o ne La notte stellata di Van Gogh. C’è qualcosa di molto romantico nel fatto che appaia a tutti questi livelli diversi, e penso che sia estremamente affascinante“.
