Ny teori forklarer mysteriet bag hurtig magnetisk genforbindelse

Når magnetfeltlinjer i modsatte retninger smelter sammen, skaber de eksplosioner, der kan frigive enorme mængder energi. På solen forårsager sammensmeltningen af ​​modsatrettede feltlinjer soludbrud og koronale masseudslip, gigantiske energiudbrud, der kan rejse til Jorden inden for en dag.

Mens den generelle mekanik for magnetisk genforbindelse er kendt, har forskere kæmpet i over et halvt århundrede for at forklare den præcise fysik bag den hurtige energifrigivelse, der finder sted.

En ny Dartmouth-undersøgelse offentliggjort i Communications Physics giver den første teoretiske beskrivelse af, hvordan et fænomen kendt som "Hall-effekten" bestemmer effektiviteten af ​​magnetisk genforbindelse.

"Hastigheden, hvormed magnetfeltlinjer forbindes igen, er af ekstrem betydning for processer i rummet, der kan påvirke Jorden," sagde Yi-Hsin Liu, en assisterende professor i fysik og astronomi ved Dartmouth. "Efter årtiers indsats har vi nu en komplet teori til at løse dette langvarige problem."

Magnetisk genforbindelse findes i hele naturen i plasmaer, den fjerde tilstand af stof, der fylder det meste af det synlige univers. Genforbindelse finder sted, når magnetiske feltlinjer i modsatte retninger trækkes til hinanden, brydes fra hinanden, forbindes igen og derefter voldsomt snapper væk.

I tilfælde af magnetisk genforbindelse tvinger snapping af magnetiske linjer magnetiseret plasma ud ved høje hastigheder. Energien skabes og forskydes til plasmaer gennem en spændingskraft som den, der udstøder genstande fra slangebøsser.

Dartmouth-undersøgelsen fokuserer på genforbindelseshastighedsproblemet, nøglekomponenten i magnetisk genforbindelse, der beskriver hastigheden af ​​den handling, hvor magnetiske linjer konvergerer og trækker fra hinanden.

Tidligere forskning viste, at Hall-effekten - samspillet mellem elektriske strømme og de magnetiske felter, der omgiver dem - skaber betingelserne for hurtig magnetisk genforbindelse. Men indtil nu har forskere ikke været i stand til at forklare detaljerne om, hvordan Hall-effekten præcist øger genforbindelseshastigheden.

Dartmouths teoretiske undersøgelse viser, at Hall-effekten undertrykker omdannelsen af ​​energi fra magnetfeltet til plasmapartikler. Dette begrænser mængden af ​​tryk på det punkt, hvor de smelter sammen, hvilket tvinger de magnetiske feltlinjer til at krumme og klemme, hvilket resulterer i åben udstrømningsgeometri, der er nødvendig for at fremskynde genforbindelsesprocessen.

"Denne teori adresserer det vigtige puslespil om, hvorfor og hvordan Hall-effekten gør genforbindelse så hurtig," sagde Liu, der fungerer som stedfortrædende leder af teori- og modelleringsteamet for NASAs Magnetospheric Multiscale Mission (MMS). "Med denne forskning har vi også forklaret den eksplosive magnetiske energifrigivelsesproces, der er fundamental og allestedsnærværende i naturlige plasmaer."

Den nye teori kan fremme den tekniske forståelse af soludbrud og koronale masseudslyngningsbegivenheder, der forårsager rumvejr og elektriske forstyrrelser på Jorden. Ud over at bruge genforbindelseshastigheden til at estimere tidsskalaerne for soludbrud, kan den også bruges til at bestemme intensiteten af ​​geomagnetiske understorme og samspillet mellem solvinden og Jordens magnetosfære.

Forskerholdet arbejder sammen med NASAs Magnetospheric Multiscale Mission for at analysere magnetisk genforbindelse i naturen. Data fra fire satellitter, der flyver i tætte formationer rundt om Jordens magnetosfære som en del af NASA-missionen, vil blive brugt til at validere Dartmouths teoretiske fund.

"Dette arbejde viser, at grundlæggende teoriindsigter forstærket af modelleringsevner kan fremme videnskabelige opdagelser," sagde Vyacheslav Lukin, programdirektør for plasmafysik hos NSF. "De teknologiske og samfundsmæssige implikationer af disse resultater er spændende, da de kan hjælpe med at forudsige rumvejrets indvirkning på det elektriske net, udvikle nye energikilder og udforske nye rumfremdrivningsteknologier."

Den nye undersøgelse kan også informere om genforbindelsesundersøgelser i magnetisk afgrænsede fusionsenheder og astrofysiske plasmaer nær neutronstjerner og sorte huller. Selvom der ikke er nogen aktuel anvendt anvendelse, har nogle forskere overvejet muligheden for at bruge magnetisk genforbindelse i rumfartøjers thrustere. + Udforsk yderligere

En køreplan for uddybning af forståelsen af ​​en forvirrende universel proces