Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och Princeton University har föreslagit en banbrytande lösning på ett mysterium som har förbryllat fysiker i årtionden. Frågan är hur magnetisk återkoppling, en universell process som sätter igång solstrålar, norrsken och kosmiska gammastrålningsutbrott, sker så mycket snabbare än vad teorin säger borde vara möjligt. Svaret kan hjälpa prognoser för rymdstormar, förklara flera astrofysiska fenomen med hög energi, och förbättra plasmainneslutningen i munkformade magnetiska enheter som kallas tokamaks designade för att få energi från kärnfusion.

Magnetisk återanslutning sker när magnetfältlinjerna inbäddade i en plasma - den heta, laddad gas som utgör 99 procent av det synliga universum - konvergerar, bryt isär och anslut explosivt igen. Denna process sker i tunna ark där elektrisk ström är starkt koncentrerad.

Enligt konventionell teori, dessa ark kan vara mycket långsträckta och kraftigt begränsa hastigheten på magnetfältlinjerna som går samman och delas isär, omöjliggör snabb återanslutning. Dock, observation visar att snabb återanslutning finns, direkt motsägelsefulla teoretiska förutsägelser.

Detaljerad teori för snabb återanslutning

Nu, fysiker vid PPPL och Princeton University har presenterat en detaljerad teori för mekanismen som leder till snabb återanslutning. Deras papper, publicerad i tidningen Plasmas fysik i oktober, fokuserar på ett fenomen som kallas "plasmoid instabilitet" för att förklara början av den snabba återkopplingsprocessen. Stöd för denna forskning kommer från National Science Foundation och DOE Office of Science.

Plasmoid instabilitet, som bryter upp plasmaströmskivor till små magnetiska öar som kallas plasmoider, har genererat stort intresse under de senaste åren som en möjlig mekanism för snabb återanslutning. Dock, korrekt identifiering av instabilitetens egenskaper har varit svårfångad.

Physics of Plasmas papper tar upp denna avgörande fråga. Den presenterar "en kvantitativ teori för utvecklingen av den plasmoida instabiliteten i plasmaströmskivor som kan utvecklas i tid", säger Luca Comisso, huvudförfattare till studien. Medförfattare är Manasvi Lingam och Yi-Ming Huang från PPPL och Princeton, och Amitava Bhattacharjee, chef för teoriavdelningen vid PPPL och professor i astrofysiska vetenskaper i Princeton.

Pierre de Fermats princip

Uppsatsen beskriver hur plasmoidinstabiliteten börjar i en långsam linjär fas som går igenom en period av stillastående innan den accelererar till en explosiv fas som utlöser en dramatisk ökning av hastigheten för magnetisk återkoppling. För att bestämma de viktigaste egenskaperna hos denna instabilitet, forskarna anpassade en variant av 1600 -talets "minst tidens princip" som härstammar från matematikern Pierre de Fermat.

Användning av denna princip gjorde det möjligt för forskarna att härleda ekvationer under den linjära fasens varaktighet, och för beräkning av tillväxttakten och antalet plasmoider som skapats. Därav, detta minsta tidssätt ledde till en kvantitativ formel för början av snabb magnetisk återanslutning och fysiken bakom den.

Tidningen gav också en överraskning. Författarna fann att sådana relationer inte återspeglar traditionella maktlagar, där en mängd varierar som en kraft hos en annan. "Det är vanligt inom alla vetenskapsområden att söka efter maktlagar, "skrev forskarna." Däremot, vi finner att skalningsförhållandena för den plasmoida instabiliteten inte är sanna maktlagar - ett resultat som aldrig har härletts eller förutsagts tidigare. "