Opdager en tidligere ukendt rolle for en kilde til magnetfelter

Magnetiske kræfter bølger i hele universet, fra markerne omkring planeter til de gasser, der fylder galakser, og kan lanceres af et fænomen kaldet Biermann -batterieffekten. Nu har forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) fundet ud af, at dette fænomen ikke kun genererer magnetfelter, men kan afbryde dem for at udløse magnetisk genforbindelse - en bemærkelsesværdig og overraskende opdagelse.

Biermann batteri effekt, et muligt frø til de magnetiske felter, der gennemsyrer vores univers, opstår i plasmaer - materiens tilstand sammensat af frie elektroner og atomkerner - når plasmatemperaturen og densiteten er forkert justeret. Toppene på sådanne plasmaer kan være varmere end bundene, og densiteten kan være større i venstre side end til højre. Denne fejljustering giver anledning til en elektromotorisk kraft, der genererer strøm, der fører til magnetfelter. Processen er opkaldt efter Ludwig Biermann, en tysk astrofysiker, der opdagede det i 1950.

Afsløret gennem computersimuleringer

De nye fund afslører via computersimuleringer en tidligere ukendt rolle for Biermann -effekten, der kan forbedre forståelsen for genforbindelse - den snappede og voldsomme genforbindelse af magnetfeltlinjer i plasmaer, der giver anledning til nordlys, solblusser og geomagnetiske rumstorme, der kan forstyrre mobiltelefontjenester og elektriske net på Jorden.

Resultaterne "giver en ny platform for i laboratoriet at replikere genforbindelsen observeret i astrofysiske plasmaer, "sagde Jackson Matteucci, en kandidatstuderende i programmet i plasmafysik på PPPL og hovedforfatter af en beskrivelse af processen i Physical Review Letters. Medforfattere af papiret inkluderer hans specialerådgivere, Will Fox fra PPPL og Amitava Bhattacharjee, leder af PPPL Theory Department, og forskere fra andre laboratorier.

Simuleringerne modellerede offentliggjorte resultater af eksperimenter i Kina, der studerede plasma med høj energi-densitet (HED)-materie under ekstremt pres, som findes i Jordens kerne. Eksperimenterne, hvor PPPL ikke spillede nogen rolle, brugte lasere til at sprænge et par plasmabobler fra et fast metalmål. Simuleringer af det tredimensionelle plasma spores ekspansionen af ​​boblerne og de magnetiske felter, som Biermann-effekten skabte, og sporet kollisionen af ​​felterne for at producere magnetisk genforbindelse.

Simuleringerne viste, at temperaturen steg i de genforbindende feltlinjer og vendte rollen som Biermann -effekten, der stammer fra linjerne. På grund af stigningen, Biermann -effekten ødelagde de magnetfeltlinjer, den havde skabt, klippe dem som en saks, der klipper et gummibånd. De udskårne felter blev derefter forbundet igen nedstrøms, væk fra det oprindelige genforbindelsespunkt. "Dette er den første simulering, der viser Biermann batterimedieret magnetisk genforbindelse, "Matteucci sagde." Denne proces havde aldrig været kendt før. "

Sporing af milliarder af ioner og elektroner

Modellering af HED -eksperimenterne krævede sporing af milliarder af ioner og elektroner, der interagerede med hinanden og med de elektriske og magnetiske felter, som deres bevægelse skabte, i det, der kaldes 3-D kinetiske simuleringer. Forskere udførte disse simuleringer på Titan -supercomputeren på DOE Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) ved Oak Ridge National Laboratory.

Forskerne har siden modelleret et britisk eksperiment og arbejder på simuleringer af eksperimenter udført på Laboratory for Laser Energetics (LLE) ved University of Rochester og National Ignition Facility på Lawrence Livermore National Laboratory.