Teoretisk analyse afdækker nye mekanismer i plasmaturbulens

Plasma, gaslignende samlinger af ioner og elektroner, udgør en anslået 99 procent af det synlige stof i universet, herunder solen, stjernerne, og det gasformige medium, der gennemsyrer rummet imellem. De fleste af disse plasmaer, herunder solvinden, der konstant flyder ud fra solen og fejer gennem solsystemet, findes i en turbulent tilstand. Hvordan denne turbulens fungerer forbliver et mysterium; det er et af de mest dynamiske forskningsområder inden for plasmafysik.

Nu, to forskere har foreslået en ny model til at forklare disse dynamiske turbulente processer.

Fundene, af Nuno Loureiro, lektor i atomvidenskab og teknik og fysik ved MIT, og Stanislav Boldyrev, professor i fysik ved University of Wisconsin i Madison, rapporteres i dag i Astrofysisk Journal . Papiret er det tredje i en serie i år, der forklarer centrale aspekter af, hvordan disse turbulente samlinger af ladede partikler opfører sig.

"Naturligt forekommende plasmaer i rummet og astrofysiske miljøer er gevindskåret af magnetfelter og eksisterer i en turbulent tilstand, "Siger Loureiro." Det vil sige, deres struktur er meget uordnet i alle skalaer:Hvis du zoomer ind for at se mere og nærmere på de stød og hvirvler, der udgør disse materialer, du vil se lignende tegn på uordnet struktur på alle størrelsesniveauer. "Og selvom turbulens er et almindeligt og vidt undersøgt fænomen, der forekommer i alle slags væsker, den turbulens, der sker i plasma, er sværere at forudsige på grund af de tilføjede faktorer for elektriske strømme og magnetfelter.

"Magnetiseret plasma -turbulens er fascinerende kompleks og bemærkelsesværdigt udfordrende, " han siger.

Magnetisk genforbindelse er et kompliceret fænomen, som Loureiro har studeret detaljeret i mere end et årti. For at forklare processen, han giver et velstuderet eksempel:"Hvis du ser en video af en solbluss", når den buer udad og derefter falder sammen på soloverfladen, "det er magnetisk genforbindelse i aktion. Det er noget, der sker på solens overflade, der fører til eksplosive frigivelser af energi." Loureiros forståelse af denne proces med magnetisk genforbindelse har dannet grundlag for den nye analyse, der nu kan forklare nogle aspekter af turbulens i plasma.

Loureiro og Boldyrev fandt ud af, at magnetisk genforbindelse skal spille en afgørende rolle i dynamikken i plasmaturbulens, en indsigt, som de siger, ændrer grundlæggende forståelsen af ​​dynamik og egenskaber i rummet og astrofysiske plasmaer og "er faktisk et begrebsmæssigt skift i, hvordan man tænker om turbulens, "Siger Loureiro.

Eksisterende hypoteser om dynamikken i plasmaturbulens "kan korrekt forudsige nogle aspekter af det observerede, " han siger, men de "fører til uoverensstemmelser."

Loureiro arbejdede sammen med Boldyrev, en førende teoretiker om plasma turbulens, og de to indså "vi kan løse dette ved i det væsentlige at fusionere de eksisterende teoretiske beskrivelser af turbulens og magnetisk genforbindelse, "Forklarer Loureiro. Som et resultat, "billedet af turbulens bliver konceptuelt ændret og fører til resultater, der mere matcher det, der er blevet observeret af satellitter, der overvåger solvinden, og mange numeriske simuleringer. "

Loureiro skynder sig at tilføje, at disse resultater ikke beviser, at modellen er korrekt, men viser, at det er i overensstemmelse med eksisterende data. "Yderligere forskning er absolut nødvendig, "Loureiro siger." Teorien gør specifik, testbare forudsigelser, men disse er svære at kontrollere med aktuelle simuleringer og observationer. "

Han tilføjer, "Teorien er ganske universel, hvilket øger mulighederne for direkte test. "F.eks. der er noget håb om, at en ny NASA -mission, Parkers solprobe, som er planlagt til lancering næste år og vil observere solens corona (den varme ring af plasma omkring solen, der kun er synlig fra Jorden under en total formørkelse), kunne levere det nødvendige bevis. Den sonde, Loureiro siger, vil gå tættere på solen end noget tidligere rumfartøj, og det skulle give de mest nøjagtige data om turbulens i corona indtil nu.

Indsamling af disse oplysninger er besværet værd, Loureiro siger:"Turbulens spiller en afgørende rolle i en række astrofysiske fænomener, "inklusive stofstrømme i kernen af ​​planeter og stjerner, der genererer magnetfelter via en dynamo -effekt, transport af materiale i tilførselsskiver omkring massive centrale genstande såsom sorte huller, opvarmning af stjernekoronaer og vinde (gasserne blæser konstant væk fra stjernernes overflader), og dannelsen af ​​strukturer i det interstellare medium, der fylder de store rum mellem stjernerne. "En solid forståelse af, hvordan turbulens fungerer i et plasma, er nøglen til at løse disse mangeårige problemer, " han siger.

"Denne vigtige undersøgelse repræsenterer et betydeligt skridt fremad mod en dybere fysisk forståelse af magnetiseret plasmaturbulens, "siger Dmitri Uzdensky, lektor i fysik ved University of Colorado, som ikke var involveret i dette arbejde. "Ved at belyse dybe forbindelser og interaktioner mellem to allestedsnærværende og grundlæggende plasmaprocesser - magnetohydrodynamisk turbulens og magnetisk genforbindelse - ændrer denne analyse vores teoretiske billede af, hvordan energien fra turbulente plasmabevægelser kaskader fra store ned til små skalaer."

Han tilføjer, "Dette arbejde bygger på en tidligere banebrydende undersøgelse udgivet af disse forfattere tidligere på året og udvider det til et bredere område af kollisionsfrie plasmaer. Dette gør den resulterende teori direkte anvendelig til mere realistiske plasmamiljøer, der findes i naturen. På samme tid, dette papir fører til nye pirrende spørgsmål om plasmaturbulens og genforbindelse og åbner dermed nye forskningsretninger, dermed stimulere fremtidig forskningsindsats inden for rumfysik og plasmaastrofysik. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.