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La sonda Voyager puso al descubierto un enigma, hoy parece estar ya resuelto gracias a las simulaciones numéricas.


La física del plasma es todavía un campo misterioso. Hace cerca de treinta años, la sonda Voyager puso al descubierto un enigma: el viento solar es anormalmente caliente y no parece seguir una ley vinculada a la turbulencia descubierta por el gran matemático ruso Andrei Kolmogorov. El enigma parece estar hoy resuelto gracias a las simulaciones numéricas.

El plasma es omnipresente en nuestro Universo. Estaba allí antes de la recombinación en el Universo primordial. Y sigue estando ahí; En los cúmulos de galaxias y en el medio interestelar. Más próximo a nosotros, constituye el Sol y recorre los espacios interplanetarios en el sistema solar para chocar con las magnetosferas de los planetas como la Tierra y Júpiter.

Aunque se saben muchas cosas sobre la física del plasma, no es ciertamente nada en comparación con lo que nos falta por descubrir acerca de ello. No se trata simplemente de cuestiones académicas que conciernen a su descripción a partir de las ecuaciones de la magnetohidrodinámica y de la teoría cinética de los gases. La comprensión profunda de la física del plasma es vital para el futuro de la humanidad porque de ella vendrá la clave que abrirá el acceso a la fusión termonuclear controlada, en un futuro que se espera sea lo más próximo posible, gracias al programa ITER^*.

Desgraciadamente, como todos los fluidos, el comportamiento de los plasmas está regido por ecuaciones no lineales, por fenómenos caóticos. Todavía más que en el caso de los fluidos neutros, los efectos de las turbulencias son difíciles de poder ser bien analizados a pesar de ser sin embargo, cruciales. Los grandes teóricos de la Física y los grandes matemáticos han tenido que doblegarse ante la turbulencia. Entre ellos, se cuenta al genio matemático Andrei Kolmogorov.

Auroras causadas por las partículas del viento solar en la magnetosfera de Saturno.© NASA (pulsar sobre la imagen para ampliarla)

Hay que tomar en consideración el caos

Así es como estableció una ley que describía cómo las transferencias de energía en un fluido se hacen por cascadas entre remolinos a escalas cada vez más pequeñas. Estas transferencias están unidas a una ley de potencia de la que el exponente debía ser de 5/3 según las conclusiones de los trabajos efectuados por Kolmogorov en 1941.

Hace una treintena de años, una de las sondas Voyager fue lanzada para su gran viaje por el sistema solar, y empezaba a analizar el plasma interplanetario. Para sorpresa de los astrofísicos, el espectro en energía de las ondas del turbulento viento solar no satisfacía la ley de Kolmogorov.

El exponente era de 7/3, lo que se traducía por un aumento del 40 % de la tasa de transferencia de energía entre las partículas calientes y las partículas frías del plasma. Más tarde, otras sondas permitieron confirmar las observaciones de la Voyager.

Una vez más, la naturaleza no lineal de la mecánica de los fluidos producía fenómenos que escapaban a la sagacidad del espíritu humano de genios como Feynman, Heisenberg y Chandrasekhar que habían sufrido esa mala experiencia.

Andrey Nicolacvich Kolmogrov (1903-1987)© UTEP

Esto acaba de cambiar gracias a las simulaciones numéricas en 3D realizadas por Padma Kant Shukla y Dastgeer Shaikh, profesor en la universidad de Bochum en Alemania y la de Hunstville en Alabama (Estados Unidos) respectivamente.

La total tenida en consideración de ciertos efectos no lineales muestra que los átomos y los iones calientes del plasma se comporten como los de un plato puesto en el horno a microondas bombeando eficazmente la energía. Encontramos entonces la ley observada con un exponente en 7/3.

Este resultado es interesante por varios conceptos. Además de dar una explicación a un viejo enigma del sistema solar, podría contribuir a ayudar a comprender fenómenos a escala de la Galaxia. A pesar de los mecanismos de aceleración de los rayos cósmicos propuestos por Enrico Fermi, no comprendemos muy bien cómo algunos de ellos pueden ser tan energéticos.

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Para saber más:

El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional) es un consorcio internacional formado, en 1986, para demostrar la factibilidad científica y tecnológica de la fusión nuclear. El ITER se construirá en Cadarache (Francia) y costará 10.300 millones de euros, convirtiéndolo en el segundo proyecto más caro, después de la Estación Espacial Internacional.

Iter, además, significa camino en latín, y este doble sentido refleja el rol del ITER en el perfeccionamiento de la fusión nuclear como una fuente de energía para usos pacíficos.

Tiene como objetivo probar todos los elementos necesarios para la construcción y funcionamiento de un reactor de fusión nuclear que serviría de demostración comercial, además de reunir los recursos tecnológicos y científicos de los programas de investigación desarrollados en ese entonces por la Unión Soviética, los Estados Unidos, Europa (a través de EURATOM) y Japón. El ITER cuenta con el auspicio de la IAEA, así como una forma de compartir los gastos del proyecto. El costo estimado total del proyecto se calcula en unos 10.300 millones de euros en los próximos 10 años.

Pueden acceder desde aquí a la biografía de Andrey Nikolaevich Kolmogorov publicada en la sección de Matemáticas de la red Astroseti.

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Crédito de las imágenes: NASA. UTEP.


Traducido para Astroseti.org por Xavier Civit



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