Storm i en kosmisk tekop:Et nyt paradigme til forståelse af plasmaturbulens

På vej til at skrive sin ph.d. afhandling, Lucio Milanese gjorde en opdagelse - en der refokuserede hans forskning, og vil nu sandsynligvis dominere sit speciale.

Milanese studerer plasma, en gaslignende strøm af ioner og elektroner, der udgør 99 procent af det synlige univers, inklusive Jordens ionosfære, interstellare rum, solvinden, og stjernernes miljø. Plasma, ligesom andre væsker, findes ofte i en turbulent tilstand præget af kaotisk, uforudsigelig bevægelse, giver flere udfordringer til forskere, der søger at forstå det kosmiske univers eller håber at udnytte brændende plasmaer til fusionsenergi.

Milanese er interesseret i det, fysikeren Richard Feynman kaldte "det vigtigste uløste problem i klassisk fysik" - turbulens. I dette tilfælde, fokus er plasma turbulens, dens natur og struktur.

"Sig, at du rører en kop te med en ske:Du skaber en hvirvel, et boblebad, i pokalens skala. Denne storskala hvirvel bliver til sidst brudt op i mindre hvirvler, som skæres i endnu mindre og mindre strukturer. Til sidst vil denne kaskade generere strukturer, der er små nok til, at de vil sprede sig, og energien vil blive til varme."

I et papir for nylig offentliggjort i Physics Review Letters , Milanese tilbyder en nyopdaget mekanisme kaldet "dynamisk fasejustering" for at afdække, hvordan turbulens overfører energi fra store skalaer til mindre skalaer. Milanese, en nuklear videnskab og ingeniør Ph.D. kandidat ved Plasma Science and Fusion Center, kalder opdagelsen en "byggesten i en generel teori om turbulens."

"Turbulens er kompleks og kaotisk, men det er ikke helt lovløst:den overordnede dynamik skal adlyde nogle begrænsninger, " siger Milanese. "En universel mekanisk begrænsning er, at energi skal bevares. I de systemer, vi studerer, der eksisterer også en topologisk begrænsning:den samlede mængde af helicitet - den grad, hvori hvirvler snoer og spiraler - er bevaret."

Milanese forklarer, at begge disse bevaringserklæringer gælder på alle fysiske skalaer undtagen de mindste, hvor dissipation ikke længere kan ignoreres.

"For de typer systemer, der er modelleret af de ligninger, som vi overvejer - og der er mange - hvis vi skulle udvikle en turbulensmodel, der kun tager hensyn til energibevarelse, vi ville uundgåeligt ende med at overtræde begrænsningen for helicitetsbevaring. Vi var i stand til at løse denne tilsyneladende modsætning ved at afdække den nye mekanisme for dynamisk fasejustering."

Milanese tilbyder således en forklaring på et generelt observeret fænomen, han kalder "den fælles kaskade af energi og helicitet." Denne form for kaskademønster er observeret i de plasmasystemer Milanese har studeret, ligesom ionosfæren, solvinden, og solkoronaen.

Milanese bemærker, at ligesom en ske bringer energi og spænding til en kop te, bevægelsen af ​​plasma på solens overflade "injicerer" disse mængder i solvinden og solens korona. Når det sker, og kaskaden begynder, energien og heliciteten bevares, indtil de turbulente hvirvler forsvinder.

I de plasmasystemer Milanese udforskede, mængden af ​​helicitet (twistedness) bestemmes af, hvor tæt korrelerede udsvingene af magnetiske og elektriske felter er. I stor skala, når en betydelig mængde helicitet er til stede i systemet, det er statistisk sandsynligt, at hvis det elektriske potentiale - spændingen - er stor, den lokale magnetiske potentialudsving vil også være stor. Efterhånden som store strukturer bryder ind i mindre strukturer, dette ændrer sig gradvist, og det bliver mere og mere sandsynligt, at hvis det elektriske potentiale er lokalt stort, den magnetiske potentialudsving vil være lille, tæt på nul (og omvendt).

"Vi fandt ud af, at når store strukturer bryder ind i mindre strukturer, de magnetiske og elektriske potentialudsving bliver gradvist mere korrelerede. Dette er et bemærkelsesværdigt eksempel på, hvordan turbulente plasmaer kan selvorganisere sig for at respektere mekaniske og topologiske begrænsninger."

Opdagelsen af ​​denne dynamiske fasejustering giver en ny linse, hvorigennem man kan se andre turbulente systemer. Milanese og hans kolleger fandt ud af, at de modelligninger, de brugte til at beskrive plasmaer, er matematisk identiske med dem, der beskriver dynamikken ved hurtigt roterende, ikke-ioniserede væskestrømme, såsom orkaner og tornadoer.

Opdagelsen af ​​dette nye paradigme er bygget på en teoretisk ramme udviklet af hans rådgiver, Professor Nuno Loureiro, og Loureiros samarbejdspartner professor Stanislav Boldyrev fra University of Wisconsin i Madison, at beskrive dynamikken i plasmaer lavet af elektroner og positroner - elektronernes antipartikler. Milanese begyndte at arbejde med Maximilian Daschner, en udvekslingsstudent fra ETH Zürich, at undersøge gyldigheden af ​​denne teoretiske ramme via numeriske simuleringer.

"Det var et dejligt numerisk projekt for en UROP" siger Milanese. "Vi troede, vi ville være færdige om seks måneder og udgive et papir. Men så, to år senere, vi kiggede stadig på interessante resultater."

Christopher Chen, Ernest Rutherford Fellow ved School of Physics and Astronomy, Queen Mary University of London, og en ekspert i observationer af turbulens i solvinden, kommenterer betydningen af ​​opdagelsen.

"Forståelse af plasmaturbulens er en vigtig del af løsningen af ​​nogle af de mangeårige spørgsmål inden for plasmaastrofysik, såsom hvordan solkoronaen opvarmes, hvordan solvinden opstår, hvor stærke magnetiske felter i universet skabes, og hvordan energetiske partikler accelereres. Resultaterne af denne artikel er vigtige, da de giver en ny forståelse af de centrale universelle processer, der fungerer i sådanne plasmaer. Papiret er også betydningsfuldt og rettidigt, da det giver forudsigelser, som vi kan teste med Parker Solar Probe og Solar Orbiter rumfartøjer, som lige nu er på vej for at studere solen tæt på."

Tættere på hjemmet, arbejdet er relevant for kommende eksperimenter ved Institut for Plasmafysik i Tyskland. Disse eksperimenter vil fange et betydeligt antal elektroner og positroner i et magnetisk bur, giver forskere mulighed for at studere egenskaberne ved et sådant system, selvom ved temperaturer meget lavere end hvad der normalt observeres i astrofysiske omgivelser. Milanese forventer, at systemet er turbulent og mener, at det potentielt kan bruges som et laboratorietestleje for hans ideer.

Milanese bemærker, at yderligere undersøgelse af dynamisk fasetilpasning er blevet hovedparten af ​​hans afhandling. Han arbejder i øjeblikket på at udvide anvendeligheden af ​​dette arbejde til at omfatte et meget bredere udvalg af væsker end de typer plasma og hurtigt roterende væsker, han allerede har udforsket.

Han vil snart også udvide sit perspektiv. Næste år vil han finde sig selv på Tsinghua University i Kina som en del af Schwarzman Scholars klasse i 2022. Dette etårige, fuldt finansieret kandidatuddannelse i udenrigsanliggender vil give ham muligheder inden for offentlig politik, økonomi, forretning, og internationale relationer. Milanese ser frem til at udforske den forretningsmæssige og politiske side af at skabe en global fusionsenergiindustri – en industri, der er afhængig af at opbygge en avanceret forståelse af turbulens i plasmaer, som har været hans primære fokus.

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.