Forskare är närmare än någonsin att upptäcka en process som kallas magnetisk återanslutning som utlöser explosiva fenomen i hela universum. Solstormar, norrsken och geomagnetiska stormar som kan störa mobiltelefontjänster och mörklägga elnät utlöses av magnetfältlinjer som konvergerar, bryta isär och återansluta våldsamt på sätt som inte helt förstås.
Nu har fysikerna Masaaki Yamada från US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och Ellen Zweibel från University of Wisconsin-Madison gett ett stort perspektiv på fyra viktiga problem vid magnetisk återanslutning i en artikel publicerad den 7 december i Brittisk tidning Förfaranden från Royal Society A . Deras forskning fokuserar på hur fältlinjerna är inbäddade i plasma, den heta, laddad gas bestående av elektroner och atomkärnor - eller joner - som utgör 99 procent av det synliga universum, bete sig som de gör. Fynden är relevanta för både astrofysik och magnetiskt styrda fusionsexperiment, vilken återanslutning kan stängas av.
Den omfattande, 30-sidigt papper, som tidningen bjöd in, förbättrar förståelsen för fyra djupa och långvariga pussel:
Yamada och Zweibel, vinnare av James Clerk Maxwell -priset i plasmafysik 2015 och 2016, respektive, ta ett övergripande förhållningssätt till dessa frågor. Priset, tilldelas av American Physical Society Division of Plasma Physics, hedrar deras bidrag till dynamiken i återanslutning och till plasmaastrofysik. Deras papper kombinerar data från satellitobservationer och Magnetic Reconnection Experiment (MRX) på PPPL, tillsammans med teori och datasimulering, för att ge en detaljerad bild av dessa förbryllande processer.
Om prisproblemet, författarna noterar att två vägar till snabb återanslutning har identifierats. I den första, snabb återanslutning sker när magnetiserade elektroner och demagnetiserade joner beter sig annorlunda, orsakar ett fenomen som kallas en Hall -effekt i återanslutningsskiktet. På sekunden, en process som kallas plasmoid instabilitet bryter upp tunna strömskikt till magnetiska öar som ger snabb återanslutning (se relaterad artikel här.) "Att karakterisera plasmoid instabilitet i en stor laboratorieplasma är ett mål för framtida forskning, "skriver författarna.
Det finns också mycket arbete att göra med utlösarproblemet, Zweibel och Yamada noterade. Bildandet av ett tunt strömark har länge varit en förutsättning för snabb återanslutning, de skriver. Dock, fördelningen av energin som bryter ut i solfacklor "är en viktig observation som utlösande teorier måste förklara, "säger de, och att identifiera maktlagen bakom fördelningen "förblir ett avlägset men viktigt mål." I maktlagar, en form av energi varierar som en kraft hos en annan.
När det gäller energiproblemet, viktiga framsteg har gjorts nyligen, säger författarna. Experiment utförda på MRX vid PPPL visar att återanslutning omvandlar cirka 50 procent av magnetenergin, med en tredjedel av omvandlingen accelererar elektronerna och två tredjedelar accelererar jonerna i plasma. "Dessa resultat väcker frågan om det finns en universell princip för uppdelning av omvandlad energi, ett viktigt problem för framtida forskning, " de skriver.
En förklaring av skalproblemet, där små mikroprocesser ger stora globala effekter, "förblir extremt utmanande, "säger författarna. Ändå, mycket "viktiga framsteg" har gjorts. Medan utlösarna för återanslutning mestadels är globala, energiomvandlingskällorna kan vara antingen globala eller småskaliga. Därför, "förekomsten av en kontinuum av skalor kopplad från mikroskopisk till makroskopisk kan vara den mest troliga vägen till snabb återanslutning."
Går framåt, författarna skriver att "utsikterna för framtida framsteg beror på fortsatt framgångsrika innovationer inom metodik. Kombinationen av laboratorieexperiment, rymdplasmamätningar och numeriska simuleringar visar sig vara särskilt framgångsrika. "Sådan utveckling kommer att leda till att framtida forskning fokuserar" på de specialiserade egenskaperna hos naturliga plasma i hela universum. "
