Fysikere foretager første gang nogensinde direkte observation af kollisioner plasmoid ustabilitet under magnetisk genforbindelse

Fysikere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har for første gang direkte observeret et fænomen, der tidligere kun var antaget at eksistere. Fænomenet, plasmoid ustabilitet, der opstår under magnetisk genforbindelse ved kollision, var indtil i år kun blevet observeret indirekte ved hjælp af fjernmålingsteknologi. I et papir, der blev offentliggjort i august 2016 -udgaven af Fysisk gennemgangsbreve , PPPL-fysikere rapporterer, at de skabte fænomenet i et laboratoriemiljø, hvor de kunne måle det direkte og bekræfte dets eksistens på elektronskalaen, som beskriver elektronernes bevægelsesområde og hvor hurtigt de bevæger sig. Denne forskning blev finansieret både af DOE's Office of Science og NASA's Heliophysics Division.

Plasmoid-ustabilitet skaber magnetiske bobler i plasma, supervarm gas, hvis atomer er adskilt i elektroner og atomkerner. De magnetiske bobler forårsager derefter hurtig magnetisk genforbindelse, når et plasmas magnetfeltlinjer går i stykker og går sammen igen, frigiver store mængder energi. Før nu, fysikere ved NASA og andre institutioner havde kun været i stand til direkte at bekræfte eksistensen af ​​disse ustabiliteter i kollisionsfri plasma, som dem, der omgiver Jorden i den øvre atmosfære, hvor plasmapartiklerne ikke kolliderer ofte.

Forskere havde ikke været i stand til at bekræfte eksistensen af ​​plasmoid ustabilitet i kollisionsplasmaer, hvor partiklerne ofte kolliderer, fordi sådanne plasmaer forekommer i det ydre rum, langt fra Jorden. Kollisionsplasmaer som dem på stjernernes overflader er så langt væk, at forskere har svært ved at måle dem direkte. Men fysikere ved Massachusetts Institute of Technology og andre steder havde forudsagt deres eksistens for år siden.

Forskere har opnået, imidlertid, indirekte tegn på plasmoid ustabilitet i det ydre rum. Ved hjælp af teleskoper og spektroskoper, samt fusionsfaciliteter som PPPL's ​​tidligere flagskibsenhed kendt som National Spherical Torus Experiment (NSTX), som siden er blevet opgraderet, forskere tog fotografier og analyserede lys, der antydede eksistensen af ​​ustabiliteten. Men uden direkte målinger, de kunne ikke bekræfte, at ustabiliteten eksisterede.

"Disse fund er betydningsfulde, fordi data indsamlet i tidligere magnetiske genforbindelsesforsøg med kollisionsfrit plasma ikke gælder for de store, kollisionsplasma fundet i hele rummet, "sagde Hantao Ji, professor ved Princeton Universitets Institut for Astrofysiske Videnskaber, fornem kollega ved PPPL, og medforfatter til papiret. "Forskere har længe haft svært ved at studere disse plasmaer, fordi det er svært at skabe de nødvendige betingelser på Jorden, og vi kan ikke bare stikke sonder direkte ind i stjerner. Nu får vi et indblik i deres arbejde. "

Under undersøgelsen, hovedforfatter og kandidatstuderende Jonathan Jara-Almonte og teamet brugte en PPPL-enhed kendt som Magnetic Reconnection Experiment (MRX). I modsætning til tidligere eksperimenter, Jara-Almonte og hans team brugte et plasma fremstillet af argonatomer, frem for brint, deuterium eller helium. Ved at bruge argon, de fandt, gav dem mulighed for lettere at skabe betingelser for kollisionsgenforbindelse i plasmaet.

Sammen med at bekræfte eksistensen af ​​plasmoid ustabilitet i kollisionsplasmaer, der undergår genforbindelse, forskningen viste, at der kan opstå ustabilitet, selv når et plasma ikke leder elektricitet godt, en tilstand kendt for at have et lavt Lundquist -tal, som forskere troede ville hindre plasmoid udvikling. Dette var et overraskende fund, da forskere længe har forudsagt, at plasmoider kun ville dannes, når et plasma leder elektricitet godt.

"Det større billede er, at disse resultater rejser nogle spørgsmål om plasmoid ustabilitetsteori, der ikke er blevet besvaret endnu, " sagde Jara-Almonte. "Resultaterne rejser spørgsmål om, hvad der virkelig sker i andre systemer."

MRX -eksperimentet bekræftede også, at plasmoider fremskynder den hastighed, hvormed genforbindelse sker - første gang effekten er blevet observeret i et kollisionsklima. Det er vigtigt at forstå, hvor hurtigt genforbindelsen sker, fordi det kan påvirke Jorden på dramatiske måder. Når genforbindelse sker på overfladen af ​​solen, enorme plasker af plasma skyder ind i rummet og kan kollidere med Jordens magnetfelt, skabe geomagnetiske storme, der truer kommunikationssatellitter og elnet.