Bekræfter en kilde til processen bag auroraer og dannelsen af ​​stjerner

Hurtig magnetisk tilslutning, den hurtige konvergens, adskillelse og eksplosiv snapping sammen af ​​magnetfeltlinjer, giver anledning til nordlys, solblusser og geomagnetiske storme, der kan forstyrre mobiltelefontjeneste og elektriske net. Fænomenet foregår i plasma, materiens tilstand sammensat af frie elektroner og atomkerner, eller ioner, der udgør 99 procent af det synlige univers. Men om hurtig genforbindelse kan forekomme i delvist ioniseret plasma - plasma, der omfatter atomer såvel som frie elektroner og ioner - er ikke godt forstået.

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har nu fremstillet den første fuldt kinetiske model for plasmapartiklers adfærd og fundet ud af, at hurtig genforbindelse faktisk kan forekomme i delvist ioniserede systemer. Kinetiske modeller simulerer fordelingen og hastigheden af ​​milliarder af partikler, sammenlignet med flydende modeller, der behandler plasma som et kontinuerligt medium frem for som en samling af individuelle partikler.

"Der er en hel klasse af delvist ioniserede plasmaer, hvis forbindelse til genforbindelse ikke er blevet undersøgt godt, "sagde fysikeren Jonathan Jara-Almonte, hovedforfatter til et papir i Fysisk gennemgangsbreve der rapporterer de seneste fund. "Vi har nu demonstreret, at hurtig genforbindelse kan forekomme i delvist ioniserede systemer."

For eksempel, forskningen tyder på, at hurtig genforbindelse i det delvist ioniserede plasma i solkromosfæren, området mellem solens overflade og den halo-lignende solcorona, kunne spille en rolle i udviklingen af ​​jetstrømme. Sådanne vandløb er en mulig kilde til solvinden, der hopper varmt, ladet plasma fra Jordens magnetfelt.

Vigtige konsekvenser

Hurtig genforbindelse i delvist ioniseret plasma har vigtige konsekvenser for det interstellare medium, de store skyer af gas og støv, der fylder kosmos mellem stjerner. Kulden, tætte områder af det interstellare medium, hvor stjernerne dannes, er kun meget dårligt ioniserede, og hurtig genforbindelse inden for disse områder kan hjælpe med at fjerne magnetfelter, der forhindrer stjernedannelse.

At forstå, hvornår og hvor hurtig genforbindelse sker, er fortsat et uløst problem, og tidligere analytiske forudsigelser for delvist ioniserede plasmaer var afhængige af ekstrapolering fra fuldt ioniserede. De nye simuleringer, udført på computere ved Princeton University, vist, at overgangen til hurtig genforbindelse kun sker, når det aktuelle ark er meget tyndere end forudsagt. Resultaterne tyder på, at transport af plasma og varme er forskellig i delvist ioniserede plasmaer og kan ændre, hvordan og hvornår genforbindelse sker.

Disse fund fokuserer på genforbindelse i meget lille skala, i modsætning til den proces, der forekommer i solkromosfæren. Ikke desto mindre, simuleringen viste sig at være kompatibel med genforbindelse i den øvre kromosfære såvel som i små laboratorieeksperimenter.

Fremadrettet, Jara-Almonte planlægger at sammenligne fund fra den kinetiske simulering med dem af væskesimuleringer, der har domineret tidligere modellering af delvist ioniserede plasmaer. Medforfatter af det seneste papir var PPPL-fysikere Hantao Ji, professor i astrofysiske videnskaber ved Princeton University; Masaaki Yamada, hovedforsker ved Magnetic Reconnection Experiment (MRX) på PPPL; og Will Fox, sammen med Bill Daughton fra Los Alamos National Laboratory.