Seja passando por uma estrela ou um dispositivo de fusão na Terra, as partículas eletricamente carregadas que constituem o quarto estado da matéria, mais conhecido como plasma, estão ligadas a linhas de campo magnético como contas em um fio. Infelizmente para os físicos de plasma que estudam este fenômeno, as linhas do campo magnético geralmente carecem de formas simples que as equações possam modelar facilmente. Freqüentemente, eles se torcem e dão nós como pretzels. As vezes, quando as linhas se tornam particularmente tortas, eles se separam e se unem novamente, ejetando bolhas de plasma e enormes quantidades de energia.

Agora, as descobertas de uma equipe internacional de cientistas liderada pelo Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) mostram que os campos magnéticos torcidos só podem evoluir de muitas maneiras, com o plasma dentro seguindo uma regra geral. Enquanto houver alta pressão do lado de fora do plasma pressionando para dentro, o plasma espontaneamente assumirá uma rosquinha, ou toro, forma e balão na direção horizontal. Contudo, a expansão para fora é restringida pela quantidade média de torção no plasma, uma qualidade conhecida como "helicidade".

"A helicidade impede que a configuração se desintegre e a força a evoluir para esta auto-organizada, estrutura torcida, "diz Christopher Smiet, um físico do PPPL e autor principal do artigo relatando os resultados no Journal of Plasma Physics .

As descobertas se aplicam a toda a gama de fenômenos de plasma e podem fornecer uma visão sobre o comportamento das nuvens magnéticas, enormes massas de plasma emitidas pelo sol que podem se expandir e colidir com o próprio campo magnético da Terra. Na forma suave, as colisões causam as luzes do norte. Se poderoso o suficiente, essas colisões podem interromper as operações de satélites e interferir com telefones celulares, sistemas de posicionamento global, e sinais de rádio e televisão.

"Como os efeitos são em parte causados ​​por propriedades topológicas, como vinculação e torção, que não são afetadas pela forma ou tamanho, os resultados se aplicam a plumas de plasma do espaço sideral com milhares de anos-luz de comprimento e estruturas com centímetros de comprimento em instalações de fusão ligadas à Terra, "Smiet diz.

Além disso, "estudando o campo magnético nesta estrutura mais geral, podemos aprender coisas novas sobre os processos de auto-organização dentro dos tokamaks e as instabilidades que interferem com eles, "Smiet diz.

Os planos de pesquisas futuras de Smiet envolvem a investigação de mudanças na ligação e conexões de linhas de campo em tokamaks durante dois tipos de instabilidades de plasma que podem impedir as reações de fusão. "É fascinante o que você pode aprender ao estudar como os nós se desfazem, "Smiet diz.

A equipe de pesquisa incluiu cientistas da Universidade de Leiden, o Instituto Holandês de Pesquisa Energética Fundamental, e a Universidade da Califórnia-Santa Bárbara. Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA (Ciências de Energia de Fusão) e pelo programa Rubicon, que é parcialmente financiado pela Organização Holandesa de Pesquisa Científica.