Forstå stjerner:Hvordan tornado-formet flow i en dynamo styrker magnetfeltet

Det massive, vende kerne af ledende væsker i stjerner og nogle planeter skaber en dynamo, der genererer planetlegemets magnetfelt. Forskere sigter mod bedre at forstå disse dynamoer gennem computersimuleringer og ved at genskabe dem i laboratoriet ved hjælp af beholdere med hurtigt spinning, flydende natrium.

En ny simulering baseret på von-Kármán-Sodium (VKS) dynamo-eksperimentet, drives i fællesskab af den franske atomenergikommission (CEA), det nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) og École Normale Supérieure (ENS) fra Paris og Lyon, ser nærmere på, hvordan den flydende hvirvel, som enheden skaber, genererer et magnetfelt. Forskere undersøgte virkningerne af væskemodstand og turbulens på kollimering af magnetfeltet, hvor hvirvelen bliver en fokuseret strøm. De rapporterer deres resultater i denne uge i journalen Plasmas fysik , fra AIP Publishing.

Undersøgelsen er den første til at undersøge strømmen inde i vendebladene ved høj opløsning, og kan tilbyde måder at forbedre laboratoriedynamoer, så de mere præcist genskaber stjernernes astronomiske observationer.

"Det håber vi, i fremtiden, vi kan give en bedre beskrivelse af strømningerne, "sagde hovedforfatter Jacobo Varela, nu postdoktor ved Oak Ridge National Laboratory. "Ved hjælp af denne tilgang, vi kan begynde at forstå den dynamo, der observeres i stjernerne. "

Dynamoer forvandler kinetisk energi til magnetisk energi ved at omdanne rotation af et elektrisk ledende væske eller plasma til et magnetisk felt. I VKS dynamo, to skovlblade på hver side af en cylinder fyldt med flydende natrium skaber turbulens, som kan generere magnetfeltet.

De mekanismer, der skaber dette felt, imidlertid, er dårligt forstået. Andre forskere har udført globale simuleringer af natriumdynamoer, men modellerne gav lavopløsningsresultater. Denne forskning modellerer den hvirvelformede strømning inden for et lille område ved siden af ​​et skovlhjul inde i VKS-dynamoen.

"De spiralformede strømme mellem skovlbladene samler strømmen, der styrker magnetfeltet og genererer feltet observeret i enheden, "Sagde Varela.

Forskerne forenklede enhedens geometri og byggede fokuserede magnetohydrodynamiske simuleringer for at forstå, hvordan flowturbulensen og enhedens materielle egenskaber påvirker magnetfeltkollimeringen.

"Vi fandt ud af, at når du bruger magnetiserede ferromagnetiske materialer, der er en effektiv stigning i magnetfeltkollimering, hvilket resulterer i en lavere dynamo tærskel, og det er det, de observerede i forsøget, "Sagde Varela.

I modsætning, ved hjælp af ledende materialer i simulering svækket feltkollimering. Dette fund kan forklare, hvorfor forskere lettere kan udløse dynamo -handling i VKS -eksperimenter, når de bruger bløde jernhjul.

Forskerne analyserede også deres resultater i forbindelse med middel-felt dynamo-teorien, som forsøger at forklare, hvordan stjerner og planeter opretholder deres magnetfelter. Da turbulensen steg i simuleringen, magnetfeltet skiftede fra en stabil 1-til-1 med periodiske svingninger, som dem, der observeres i visse stjerner. Solens magnetfelt, for eksempel, skifter polaritet cirka hvert 11. år, som er et produkt af dens turbulens og hastigheden på dens rotation.

Varela og hans kolleger hos CNRS fortsætter med at udvikle modellen, så den afspejler den faktiske enheds geometri. De planlægger at undersøge yderligere parametre, såsom bladformen og magnetfeltbaggrunden, så de mere kan simulere enhedens ydeevne og teste måder at optimere maskinen på.

"Den simulering, vi udfører, er bare det allerførste trin, men med den model, vi har nu, vi kan fange meget af den fysik, de observerer i VKS dynamo -eksperimentet, "Varela sagde." Vores observationer og data fra maskinen vil give os meget mere bevis på dynamosløjfen i stjerner og andre astronomiske objekter. "