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

En forvirrende proces kaldet magnetisk genforbindelse udløser eksplosive fænomener i hele universet, hvilket skaber soludbrud og rumstorme, der kan ødelægge mobiltelefontjenester og elnet. Nu har forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) detaljeret en køreplan for at løse et nøgleaspekt af dette puslespil, der kan uddybe indsigten i kosmos virkemåde.

Genforbindelse konverterer magnetfeltenergien til partikeludbrud i astrofysiske plasmaer ved at knække fra hinanden og eksplosivt forbinde magnetfeltlinjerne igen - en proces, der finder sted inden for det, der kaldes spredningsområder, der ofte er enormt mindre end de områder, de påvirker.

Stresset magnetfelt

"Plasma kan ikke lide genforbindelse," sagde Hantao Ji, en PPPL-fysiker og professor ved Princeton University, som er førsteforfatter til et papir, der beskriver køreplanen i Nature Reviews Physics . "Men gentilslutning sker, når magnetfeltet er tilstrækkeligt stresset," sagde han.

"Dissipationsskalaer er små, hvorimod astrofysiske skalaer er meget store og kan strække sig over millioner af miles. At finde en måde at bygge bro over disse skalaer på gennem en flerskalamekanisme er en nøgle til at løse genforbindelsespuslespillet."

Køreplanen skitserer rollen af ​​at udvikle teknologier med multiskala-kapaciteter, såsom Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE), en nyligt installeret samarbejdsfacilitet, der er ved at blive opgraderet og vil undersøge facetter af magnetisk genforbindelse, der aldrig før har været tilgængelig for laboratorieeksperimenter. Som supplement til disse eksperimenter vil der være simuleringer af kommende exascale supercomputere, der vil være 10 gange hurtigere end nuværende computere. "Håbet er, at FLARE og exascale computing går hånd i hånd," sagde Ji.

Den arbejdsteori, som PPPL-køreplanen foreslår, er, at flere plasmoider eller magnetiske øer, der opstår ved genforbindelse langs lange plasmastrømark, kan bygge bro over det store udvalg af skalaer. Sådanne plasmoider ville svare tættere til den berørte genforbindelsesregion, med flerskala laboratorieeksperimenter planlagt for at give de første test af denne teori og for at evaluere konkurrerende hypoteser.

"Exascale vil give os mulighed for at lave mere troværdige simuleringer baseret på high-fidelity FLARE eksperimenter," sagde PPPL fysiker Jongsoo Yoo, en medforfatter af papiret. Den øgede størrelse og kraft af den nye maskine – dens diameter vil være dobbelt så stor som den magnetiske genforbindelseseksperiment (MRX) på størrelse med sportsbrugskøretøjer, PPPL's ​​langvarige laboratorieeksperiment – ​​og vil gøre det muligt for forskere at kopiere genforbindelse i naturen mere trofast. .

"FLARE kan få adgang til bredere astrofysiske regimer end MRX med flere genforbindelsespunkter og måle feltgeometrien under genforbindelse," sagde William Daughton, en beregningsforsker ved Los Alamos National Laboratory og medforfatter af papiret. "Det er vigtigt at forstå denne fysik for at forudsige, hvordan genforbindelsen skrider frem i soludbrud," sagde han.

Nøgleudfordring

En central udfordring for de kommende eksperimenter vil være at innovere nye højopløselige diagnostiske systemer uden restriktive antagelser. Når først disse systemer er udviklet, vil de gøre det muligt for FLARE at bygge videre på satellitobservationer som dem, der er produceret af Magnetospheric Multiscale-missionen, en flåde på fire rumfartøjer, der blev opsendt i 2015 for at studere genforbindelsen i magnetosfæren, det magnetiske felt, der omgiver Jorden.

"Fremskridt med at forstå multiskala fysik afhænger kritisk af innovation og effektiv implementering af sådanne diagnostiske systemer i det kommende årti," sagde papiret. De nye resultater vil behandle åbne spørgsmål, der omfatter:

• Hvordan starter genforbindelsen præcist?

• Hvordan opvarmes og accelereres eksplosive plasmapartikler?

• Hvilken rolle spiller genforbindelse i relaterede processer som turbulens og rumchok?

Samlet set, "Avisen lægger planer om at give hele rumfysik- og astrofysiksamfundene metoder til at løse multiskalaproblemet," sagde Yoo. En sådan løsning ville markere et stort skridt hen imod en mere fuldstændig forståelse af magnetisk genforbindelse i store systemer i hele universet. + Udforsk yderligere

Ny indsigt i blobs forbedrer forståelsen af ​​en universel proces