Knyttet i knuder:Ny indsigt i plasmaadfærd fokuserer på vendinger

Uanset om det lyner gennem en stjerne eller en fusionsenhed på Jorden, de elektrisk ladede partikler, der udgør den fjerde tilstand af stof, bedre kendt som plasma, er bundet til magnetfeltlinjer som perler på en snor. Desværre for plasmafysikere, der studerer dette fænomen, magnetfeltlinjerne mangler ofte enkle former, som ligninger let kan modellere. Ofte snor de og knuder som kringler. Sommetider, når linjerne bliver særligt snoede, de klikker fra hinanden og slutter sig sammen igen, udstødning af klatter af plasma og enorme mængder energi.

Nu, resultater fra et internationalt team af forskere under ledelse af US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) viser, at de snoede magnetfelter kun kan udvikle sig på så mange måder, med plasmaet indeni efter en generel regel. Så længe der er højt tryk på ydersiden af ​​plasmaet, der trykker indad, plasmaet vil spontant tage en doughnut, eller torus, form og ballon ud i vandret retning. Imidlertid, den udadgående ekspansion begrænses af den gennemsnitlige mængde vridning i plasmaet, en kvalitet kendt som "helicitet".

"Heliciteten forhindrer konfigurationen i at blæse fra hinanden og tvinger den til at udvikle sig til denne selvorganiserede, snoet struktur, "siger Christopher Smiet, en fysiker ved PPPL og hovedforfatter af papiret, der rapporterer resultaterne i Journal of Plasma Physics .

Resultaterne gælder for hele spektret af plasmafænomener og kan give indsigt i magnetiske skyers adfærd, enorme plasmamasser udsendt fra solen, der kan ekspandere og kollidere med Jordens eget magnetfelt. I mild form, kollisionerne forårsager nordlyset. Hvis kraftig nok, disse kollisioner kan forstyrre satelliternes drift og forstyrre mobiltelefoner, globale positioneringssystemer, og radio- og fjernsynssignaler.

"Da virkningerne til dels skyldes topologiske egenskaber som sammenkædning og vridning, der ikke påvirkes af form eller størrelse, resultaterne gælder både for plasma i det ydre rum i tusinder af lysår lange og centimeter lange strukturer i jordbundne fusionsanlæg, ”Siger Smiet.

I øvrigt, "ved at studere magnetfeltet i denne mere generelle ramme, vi kan lære nye ting om de selvorganiserende processer inden for tokamaks og ustabiliteten, der forstyrrer dem, ”Siger Smiet.

Smiets fremtidige forskningsplaner involverer undersøgelse af ændringer i sammenkædning og forbindelser af feltlinjer i tokamaks under to typer plasmainstabilitet, der kan forhindre fusionsreaktioner. "Det er fascinerende, hvad du kan lære, når du studerer, hvordan knaster løber op, ”Siger Smiet.

Forskerteamet omfattede forskere fra Leiden University, det hollandske institut for grundlæggende energiforskning, og University of California-Santa Barbara. Denne forskning blev støttet af U.S. Department of Energy (Fusion Energy Sciences) og Rubicon -programmet, der delvist er finansieret af den nederlandske organisation for videnskabelig forskning.