Forskere foreslår en forklaring på den mystiske begyndelse af en universel proces

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og Princeton University har foreslået en banebrydende løsning på et mysterium, der har undret fysikere i årtier. Det drejer sig om, hvordan magnetisk genforbindelse, en universel proces, der udløser solblusser, nordlys og kosmiske gammastråler, sker så meget hurtigere, end teorien siger burde være muligt. Svaret kan hjælpe prognoser for rumstorme, forklare flere astrofysiske fænomener med høj energi, og forbedre plasmaindeslutning i donutformede magnetiske enheder kaldet tokamaks designet til at hente energi fra atomfusion.

Magnetisk genforbindelse finder sted, når magnetfeltlinjerne indlejret i et plasma - den varme, ladet gas, der udgør 99 procent af det synlige univers - konvergerer, bryde fra hinanden og forbinde eksplosivt igen. Denne proces finder sted i tynde ark, hvor elektrisk strøm er stærkt koncentreret.

Ifølge konventionel teori, disse ark kan være meget langstrakte og stærkt begrænse hastigheden af ​​magnetfeltlinjerne, der går sammen og deler sig, gør en hurtig genforbindelse umulig. Imidlertid, observation viser, at der findes en hurtig genforbindelse, direkte modstridende teoretiske forudsigelser.

Detaljeret teori til hurtig genforbindelse

Nu, fysikere ved PPPL og Princeton University har præsenteret en detaljeret teori for den mekanisme, der fører til hurtig genforbindelse. Deres papir, offentliggjort i tidsskriftet Plasmas fysik i oktober, fokuserer på et fænomen kaldet "plasmoid ustabilitet" for at forklare starten på den hurtige genforbindelsesproces. Støtte til denne forskning kommer fra National Science Foundation og DOE Office of Science.

Plasmoid ustabilitet, som opdeler plasmastrømsark i små magnetiske øer kaldet plasmoider, har skabt betydelig interesse i de seneste år som en mulig mekanisme til hurtig genforbindelse. Imidlertid, korrekt identifikation af ustabilitetens egenskaber har været undvigende.

The Physics of Plasmas paper omhandler dette afgørende spørgsmål. Det præsenterer "en kvantitativ teori for udviklingen af ​​plasmoid ustabilitet i plasmastrømsark, der kan udvikle sig med tiden" sagde Luca Comisso, hovedforfatter af undersøgelsen. Medforfattere er Manasvi Lingam og Yi-Ming Huang fra PPPL og Princeton, og Amitava Bhattacharjee, leder af teoriafdelingen ved PPPL og professor i astrofysiske videnskaber i Princeton.

Pierre de Fermats princip

Papiret beskriver, hvordan plasmoid ustabilitet begynder i en langsom lineær fase, der går gennem en periode med hvile, før den accelererer til en eksplosiv fase, der udløser en dramatisk stigning i hastigheden af ​​magnetisk genforbindelse. For at bestemme de vigtigste træk ved denne ustabilitet, forskerne tilpassede en variant af 1600 -tallets "mindste tidsprincip", der stammer fra matematikeren Pierre de Fermat.

Brug af dette princip gjorde det muligt for forskerne at udlede ligninger for varigheden af ​​den lineære fase, og til beregning af væksthastigheden og antallet af skabte plasmoider. Derfor, denne mindste tids tilgang førte til en kvantitativ formel for begyndelsen af ​​hurtig magnetisk genforbindelse og fysikken bag.

Papiret gav også en overraskelse. Forfatterne fandt ud af, at sådanne forhold ikke afspejler traditionelle magtlove, hvor en mængde varierer som en kraft af en anden. "Det er almindeligt inden for alle videnskabelige områder at søge eksistensen af ​​magtlove, "skrev forskerne." I modsætning hertil var vi finder ud af, at skaleringsforholdet mellem den plasmoide ustabilitet ikke er sande magtlove - et resultat, der aldrig er blevet afledt eller forudsagt før. "