Un equipo de científicos galardonado ha recreado con éxito procesos cósmicos en un entorno de laboratorio y ha confirmado fenómenos que explican la formación de estrellas y planetas. La editora Georgie Purcell habló con uno de los investigadores principales, Hantao Ji, para obtener más información.
Imagínese poder ver cómo se forman estrellas y planetas ante sus ojos. Después de décadas de investigación, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. y la Universidad de Princeton han logrado lograr precisamente eso.
Durante más de dos décadas, el experimento de Inestabilidad Magnetorotación (MRI) de PPPL ha estudiado cómo la materia en remolino forma estrellas, planetas y agujeros negros supermasivos. En un descubrimiento reciente que ganó el prestigioso Premio John Dawson en física del plasma, un equipo de investigación confirmó formalmente un fenómeno llamado resonancia magnética que explica la formación de planetas y estrellas, y la caída de materia en estrellas de neutrones y agujeros negros.
El experimento consiste en comprender y reproducir un proceso de resonancia magnética que involucra un disco de acreción de materia que gira en un universo tambaleante de una manera muy específica. Este proceso provoca turbulencias que hacen girar la materia en espiral hacia adentro, formando eventualmente objetos gigantes en el espacio. Esto sólo es posible debido a la presencia de plasma y campos magnéticos, que se combinan para crear la oscilación.
Utilizando ingenio experimental, conocimientos teóricos y modelos computacionales avanzados, el equipo centró su investigación en la oscilación no uniforme inducida por resonancia magnética. La teoría de que este tipo de oscilación podría formar planetas y estrellas se ha planteado durante mucho tiempo, pero nunca se ha confirmado en un entorno del mundo real. Por primera vez, el equipo de investigación lo estudió teóricamente y recreó el proceso en un laboratorio.
Para obtener más información sobre el experimento, los desafíos encontrados en el camino y la importancia del descubrimiento, Georgie Purcell habló con Hantao Ji, profesor de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton y miembro del PPPL.
¿Podría explicarnos los antecedentes de su investigación y el objetivo principal de sus experimentos?
En astronomía suele ser difícil observar e intentar comprender lo que sucede a lo lejos. Los modelos de investigación típicos incluyen teoría y simulaciones numéricas. Pero nuestro trabajo se centra en poner ante nuestros ojos lo que sucede en el cielo. Esta es una nueva e importante forma de realizar investigaciones y abre nuevas posibilidades para todos.
Los experimentos de inestabilidad magnetorotacional se centran en reproducir el proceso de formación de estrellas. Para formar estrellas, el material debe moverse hacia el centro de la nube molecular. Sin embargo, esto no es fácil porque el momento angular finito impide el movimiento hacia el centro. Así como la Tierra se mueve alrededor del Sol, el momento angular impide que la Tierra caiga hacia el Sol. Llegar al centro requiere un proceso como la inestabilidad magnetorotacional. La clave no es destruir el momento angular, sino dar una gran porción (digamos el 99%) del momento angular a una pequeña cantidad de masa (digamos el 1%). El 1% de la masa tiene el 100% del momento angular, mientras que el 99% de la masa no tiene momento angular. Entonces el 99% de esto se trasladará al centro y el 1% se quedará afuera. En este sentido, el 1% se convierte en planeta y el 99% en sol. En resumen, el truco de esta resonancia magnética es redistribuir. El momento angular debe transferirse de la sustancia que quiere ir al centro a la sustancia que no quiere ir al centro.
Para lograr este movimiento es necesario acoplar un campo magnético y un plasma, un fluido eléctricamente conductor. Este experimento utilizó metal líquido en lugar de plasma. En el laboratorio, hacemos girar metal líquido para crear un «disco de acreción». Luego se aplica un campo magnético para activar la resonancia magnética y transferir el momento angular de una parte del metal líquido a otra.
¿Sucedió algo sorprendente durante el experimento?
La principal sorpresa fue que las cosas resultaron ser mucho más difíciles de lo que pensaba originalmente. Esperaba que la resonancia magnética fuera muy fácil de realizar. Sabemos que podemos construir tambores giratorios y aplicar campos magnéticos. Es sencillo. Sin embargo, la sorpresa estuvo en el efecto borde.
En un tambor ideal, el cilindro sería infinitamente largo. Esto no es un problema en teoría, ya que el problema se puede teorizar suponiendo que el cilindro gira infinitamente. Sin embargo, si desea reproducir esto en un entorno de laboratorio, el espacio es limitado y debe ser finito. Para longitudes finitas, los efectos de borde se vuelven importantes.
En astrofísica, el mismo problema no es obvio porque cuando un disco de acreción flota en el cielo, tiene límites libres porque la gravedad ayuda a unir la materia. Desafortunadamente, los laboratorios requieren tapas para evitar que caiga el metal líquido. La gorra es el problema.
Necesitamos rotar un metal líquido, pero esa rotación no es la rotación de un sólido. Necesitamos una rotación diferencial, más rápida por dentro y más lenta por fuera. Al igual que Venus gira alrededor del Sol mucho más rápido que la Tierra. Esto es fácil de lograr porque en los líquidos son posibles diferentes rotaciones. Pero una capa sólida no puede tener diferentes velocidades angulares en diferentes radios. Toda la tapa sólo debe girar a una velocidad. Esto no coincide con la rotación diferencial del metal líquido y es problemático. Fueron necesarios 20 años para superar este desafío mecánico.
¿Por qué un proceso tan largo?
Esto se debe principalmente a que me di cuenta de que mi primera teoría no funcionaba, tuve que descubrir por qué no funcionaba e idear una solución para corregirla. A continuación, tuvimos que probar nuestras nuevas ideas para asegurarnos de que funcionaran. Fue un proceso complejo y cada paso tardó varios años en completarse.
Aparte del desafío del límite, ¿qué otros desafíos enfrentó y cómo los superó?
Hay tres desafíos. Superar desafíos técnicos, asegurar recursos y luchar contra dudas internas.
En el aspecto técnico tenemos suerte de tener un buen equipo. Originalmente nominamos a un equipo de 20 personas para el Premio John Dawson, pero tuvimos que reducirlo a cinco. Durante los últimos 20 años, hemos construido una comunidad de estudiantes y científicos visitantes. Han trabajado con nosotros y han hecho importantes contribuciones al proyecto. La experiencia de los miembros de nuestro equipo y la comunidad nos ayudó a superar los desafíos técnicos que enfrentamos.
Financieramente, tuvimos que enviar numerosas propuestas de financiación a agencias de financiación: la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la NASA y el Departamento de Energía de EE. UU. para obtener apoyo. Aunque estas propuestas a veces fracasaron, pudimos conseguir financiación en cada etapa. Además, el laboratorio aquí en PPPL también brinda un gran apoyo.
El tercer desafío es más psicológico. A lo largo de los años, nos hemos preguntado muchas veces sobre este experimento. ¿Realmente vale la pena el esfuerzo, el tiempo y el dinero? ¿Es esta la pregunta correcta en la que centrarse? Tuvimos que hacer un juicio de valor y aguantar.
¿Qué significa para usted ser reconocido con el Premio John Dawson?
Es un gran honor que nuestros esfuerzos sean reconocidos por la comunidad científica. Es un gran honor ser seleccionado para recibir este premio, ya que miles de científicos de todo el mundo trabajan día y noche en este campo. Nuestro grupo es muy pequeño en comparación con la comunidad en su conjunto, por lo que estamos muy agradecidos de que nuestras contribuciones hayan sido reconocidas. Después de todo, pequeño no significa poco importante y esperamos que nuestro trabajo tenga algún impacto.
Ganar este premio también destacó la importancia de no darse por vencido. Tienes que ser persistente y paciente contigo mismo y con tus compañeros. Puede que lleve algún tiempo ver resultados, pero si se da por vencido, podría estar perdiendo una gran oportunidad.
¿Hay algún mensaje final que le gustaría enfatizar?
Me gustaría enfatizar la importancia de apoyar la investigación básica. La investigación básica nos permite profundizar nuestra comprensión del universo y de las cosas que nos rodean. Cada pequeño proyecto es un componente básico de la tecnología del mañana. El mundo del comercio quiere resultados hoy, pero es importante respaldar años de investigación para mejorar el mañana.
Este artículo también se publicará en el número 25 de la revista trimestral.
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