"Gli ammassi di galassie sono una delle cose più maestose dell'universo", ha spiegato il Prof. Emeritus Don Lamb, astrofisico dell'Università di Chicago e co-autore di un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Science il 9 marzo 2022, che potrebbe indicare la strada verso la risoluzione di un mistero decennale. Jena Meinecke è la prima autrice dell'articolo.
Gli scienziati sanno da tempo che l'idrogeno gassoso negli ammassi di galassie è estremamente caldo, circa 10 milioni di gradi Kelvin, o all'incirca la stessa temperatura del centro del sole, che è così caldo che gli atomi di idrogeno non possono esistere. Invece il gas è un plasma costituito da protoni ed elettroni.
Ma un enigma persiste: non esiste una spiegazione diretta del perché o del come il gas rimanga così caldo. Secondo le normali regole della fisica, avrebbe dovuto raffreddarsi. Ma non è così. La sfida per chiunque cerchi di risolvere questo puzzle è che non puoi esattamente creare questo tipo di condizioni, potenti e magnetiche, nel tuo cortile.
Tuttavia, ora c'è un posto sulla Terra dove è possibile: la struttura laser più energica del mondo. Il National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory è in grado di creare condizioni così estreme, anche se solo per una piccola frazione di secondo in un volume delle dimensioni di un centesimo. Gli scienziati di UChicago, dell'Università di Oxford e dell'Università di Rochester hanno lavorato insieme per utilizzare il National Ignition Facility, situato a Livermore, in California, per creare condizioni simili al gas caldo in giganteschi ammassi di galassie.
Gli scienziati hanno focalizzato 196 laser su un singolo piccolo bersaglio, creando un plasma bianco-caldo con intensi campi magnetici che esiste per pochi miliardesimi di secondo. L'esperimento è stato abbastanza lungo da poter determinare che invece di una temperatura uniforme, c'erano punti caldi e freddi nel plasma.
Questo si integra con una delle teorie che è stata proposta su come il calore è intrappolato all'interno degli ammassi di galassie. Normalmente, il calore dovrebbe essere facilmente distribuito quando gli elettroni si scontrano tra loro. Ma i campi magnetici aggrovigliati all'interno del plasma possono influenzare questi elettroni, facendoli spiraleggiare lungo la direzione dei campi magnetici, il che può impedire loro di distribuire e disperdere uniformemente la loro energia. Infatti, nell'esperimento hanno visto che la conduzione dell'energia è stata soppressa di più di un fattore di 100.
"Questo è un risultato incredibilmente eccitante perché siamo stati in grado di dimostrare che ciò che gli astrofisici hanno proposto è sulla strada giusta", ha dichiarato Lamb, il Robert A. Millikan Distinguished Service Professor Emeritus in Astronomy and Astrophysics.
"Questo è davvero un risultato sorprendente", ha aggiunto il co-autore dello studio dell'Università di Rochester Prof. Petros Tzeferacos, che ha supervisionato le simulazioni al computer del complicato esperimento. "Le simulazioni sono state fondamentali per districare la fisica in gioco nel plasma turbolento e magnetizzato, ma il livello di soppressione del trasporto termico era superiore a quello che ci aspettavamo".
Le simulazioni sono state fatte con un codice informatico chiamato codice FLASH, che è stato sviluppato presso l'Università di Chicago ed è ora ospitato presso il Flash Center for Computational Science dell'Università di Rochester, guidato da Tzeferacos. Il codice consente agli scienziati di simulare i loro esperimenti laser con dettagli squisiti prima di metterli in atto, in modo che possano ottenere i risultati che cercano.
Questo è fondamentale perché gli scienziati ottengono solo pochi preziosi istanti nella struttura: se qualcosa va storto, non c'è ripetizione. E poiché le condizioni dell'esperimento durano solo nanosecondi, gli scienziati devono assicurarsi di effettuare le misurazioni di cui hanno bisogno esattamente al momento giusto. Ciò significa che tutto deve essere pianificato con precisione molto prima del tempo. "È una sfida quando sei agli estremi di ciò che può essere fatto, ma è lì che si trova la frontiera", ha affermato Lamb.
Rimangono tuttavia altre domande sulla fisica degli ammassi di galassie. Sebbene i punti caldi e freddi siano una solida prova dell'impatto dei campi magnetici sul raffreddamento del gas caldo negli ammassi di galassie, sono necessari ulteriori esperimenti per capire esattamente cosa sta succedendo. Il gruppo sta pianificando il suo prossimo ciclo di esperimenti al NIF entro la fine dell'anno. Per il momento, però, sono felici di aver fatto luce sul perché il gas negli ammassi di galassie è ancora caldo anche dopo miliardi di anni. "È un promemoria che l'universo è pieno di cose incredibili", ha dichiarato Lamb.
