Voksende magnetfelter i dybt rum:Bare vrik med plasmaet

I modsætning til hvad mange tror, det ydre rum er ikke tomt. Ud over en elektrisk ladet suppe af ioner og elektroner kendt som plasma, rummet er gennemsyret af magnetfelter med en lang række styrker. Astrofysikere har længe spekuleret på, hvordan disse felter produceres, vedvarende, og forstørret. Nu, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har vist, at plasmaturbulens kan være ansvarlig, giver et muligt svar på det, der er blevet kaldt et af de vigtigste uløste problemer inden for plasmaastrofysik.

Forskerne brugte kraftfulde computere ved Princeton Institute for Computational Science and Engineering (PICSciE) og National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory til at simulere, hvordan turbulensen kunne intensivere magnetfelter gennem det, der er kendt som dynamo effekt, hvor magnetfelterne bliver stærkere, når magnetfeltlinjerne snor og drejer. "Dette arbejde udgør et vigtigt skridt i retning af for første gang at besvare spørgsmålet om, hvorvidt turbulens kan forstærke magnetfelter til dynamiske styrker i en varm, fortyndet plasma, såsom den, der bor i klynger af galakser, "sagde Matthew Kunz, en astrofysikprofessor ved Princeton University og forfatter til papiret, som blev offentliggjort i The Astrophysical Journal Letters .

Tidligere forskning har fokuseret på dynamoer, som de kan forekomme i såkaldte kollisionsplasmaer, hvor partikler kollektivt opfører sig som en væske. Men intergalaktiske plasmaer er kollisionsløse, så tidligere eksperimenter er ikke nødvendigvis relevante. Denne nye forskning er beregnet til at løse dette hul. "Vi ville se, hvordan dynamoen ville opføre sig i det kollisionsfrie regime, "sagde Denis St-Onge, kandidatstuderende i Princeton -programmet i plasmafysik på PPPL og hovedforfatter af papiret.

St-Onge og Kunz fokuserede på de måder, hvorpå hastighederne og magnetfelterne for individuelle partikler i kollisionsfrit plasma er direkte forbundet. Denne forbindelse - hvis en mængde stiger eller falder, den anden skal, også - synes at udelukke eksistensen af ​​en dynamo. "Hvis dette var hele historien, det ville være katastrofalt for dynamoen, "sagde St-Onge." For at matche det, vi observerer i rummet, dynamoen skulle øge styrken af ​​frømagnetfeltet med mindst en faktor på en billion, men partiklernes energi skulle også stige, og der er bare ikke nok tilgængelig energi i dynamoen til, at det kan ske. "

For at producere styrken af ​​magnetfelter observeret i rummet, det slips, der binder partikelenergi til magnetisme, skal afbrydes. Dette er lige hvad St-Onge og Kunz observerede i computersimuleringerne:at typer af plasmaturbulens kendt som spejl- og ildslangestabilitet fik plasmapartiklerne til at spredes, og spredning brød forbindelsen mellem partikelenergi og magnetisme og tillod magnetfelternes amplituder at vokse tættere på det, der observeres i naturen.

Fremtidig forskning, St-Onge noter, vil fokusere på, hvorfor denne turbulente spredning opstår. "Ud over, vi vil gerne undersøge detaljerne ved spredning af partikler, "Sagde St-Onge." Hvordan får ustabiliteten præcist partiklerne til at spredes, hvor ofte sker spredningen, og kan spredningen føre til pludselige, dramatisk vækst af et magnetfelt? Den sidste idé er en forestilling, der blev foreslået af PPPL -direktør Steven Cowley for mange år siden. Vi vil gerne undersøge, om det er sandt. "