Magnetisk genforbindelsesforskning kaster lys over eksplosive fænomener i astrofysik og fusionsforsøg

Forskere er tættere på end nogensinde at opklare en proces kaldet magnetisk genforbindelse, der udløser eksplosive fænomener i hele universet. Solar blusser, nordlys og geomagnetiske storme, der kan forstyrre mobiltelefontjenesten og afbryde strømnettet, er alle modregnet af magnetfeltlinjer, der konvergerer, bryde fra hinanden og genoprette voldsom forbindelse på måder, der ikke er fuldt ud forstået.

Nu har fysikerne Masaaki Yamada fra US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og Ellen Zweibel fra University of Wisconsin-Madison givet et stort perspektiv på fire centrale problemer ved magnetisk genforbindelse i et papir, der blev offentliggjort 7. december i Britisk tidsskrift Proceedings of the Royal Society A . Deres forskning fokuserer på, hvordan feltlinjerne indlejret i plasma, det varme, ladet gas sammensat af elektroner og atomkerner - eller ioner - der udgør 99 procent af det synlige univers, opfører sig som de gør. Resultaterne er relevante for både astrofysik og magnetisk kontrollerede fusionsforsøg, hvilken genforbindelse kan lukke.

Den omfattende, 30-siders papir, som tidsskriftet inviterede, fremmer forståelsen af ​​fire dybe og mangeårige gåder:

• Takstproblemet. Hvorfor finder genforbindelse sted meget hurtigere end teorien angiver?
• Udløseren problem. Hvad bestemmer mængden af ​​energi, der kan lagres i et magnetfelt og udløser dets frigivelse?
• Det energiske problem. Hvordan konverterer genforbindelse magnetisk energi til eksplosiv kinetisk energi?
• Problemet med vægtenes samspil. Hvordan udløser genforbindelse, der opstår på en mikroskala, der opstår på global skala?

Yamada og Zweibel, vindere af James Clerk Maxwell -prisen i plasmafysik i 2015 og 2016, henholdsvis, tage en omfattende tilgang til disse spørgsmål. Præmien, uddelt af American Physical Society Division of Plasma Physics, ærer deres bidrag til dynamikken i genforbindelse og til plasmaastrofysik. Deres papir kombinerer data hentet fra satellitobservationer og Magnetic Reconnection Experiment (MRX) på PPPL, sammen med teori og computersimulering, at give et detaljeret overblik over disse forvirrende processer.

Om satsproblemet, forfatterne bemærker, at to veje til hurtig genforbindelse er blevet identificeret. Først og fremmest, hurtig genforbindelse finder sted, når magnetiserede elektroner og demagnetiserede ioner opfører sig anderledes, forårsager et fænomen kaldet en Hall -effekt i genforbindelseslaget. I det andet, en proces kaldet plasmoid ustabilitet bryder tynde strømlag op i magnetiske øer, der producerer hurtig genforbindelse (se relateret artikel her.) "Karakterisering af plasmoid ustabilitet i et stort laboratorieplasma er et mål for fremtidig forskning, "skriver forfatterne.

Der er også meget arbejde at udføre på triggerproblemet, Zweibel og Yamada noterede sig. Dannelse af et tyndt strømark har længe været en forudsætning for hurtig genforbindelse, de skriver. Imidlertid, fordelingen af ​​den energi, der bryder ud i solblusser "er en vigtig observation, som udløser teorier skal forklare, "siger de, og identifikation af magtloven bag fordelingen "forbliver et fjernt, men vigtigt mål." I magtlove, en form for energi varierer som en kraft af en anden.

Med hensyn til det energiske problem, der er sket vigtige fremskridt for nylig, siger forfatterne. Eksperimenter udført på MRX ved PPPL viser, at genforbindelse konverterer omkring 50 procent af magnetisk energi, med en tredjedel af omdannelsen, der accelererer elektronerne og to tredjedele accelererer ionerne i plasmaet. "Disse resultater rejser spørgsmålet om, hvorvidt der er et universelt princip for opdeling af omdannet energi, et vigtigt problem for fremtidig forskning, " de skriver.

En forklaring på skalaproblemet, hvor små mikroprocesser producerer store globale effekter, "forbliver ekstremt udfordrende, "oplyser forfatterne. Ikke desto mindre, der er gjort mange "vigtige fremskridt". Mens udløserne til genforbindelse for det meste er globale, energikonverteringskilderne kan være enten globale eller små. Derfor, "tilstedeværelsen af ​​et kontinuum af skalaer koblet fra mikroskopisk til makroskopisk kan være den mest sandsynlige vej til hurtig genforbindelse."

Fremadrettet, forfatterne skriver, at "udsigterne for fremtidige fremskridt afhænger af fortsatte succesrige innovationer inden for metodik. Kombinationen af ​​laboratorieforsøg, rumplasmamålinger og numeriske simuleringer viser sig at være særligt vellykkede. "En sådan udvikling vil få fremtidig forskning til at fokusere" på de specialiserede egenskaber ved naturlige plasmaer i hele universet. "