Fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har för första gången direkt observerat ett fenomen som tidigare bara hade antagits existera. Fenomenet, plasmoid instabilitet som uppstår vid kollisionell magnetisk återanslutning, hade fram till i år endast observerats indirekt med hjälp av fjärranalysteknik. I ett papper publicerat i augusti 2016 -numret av Fysiska granskningsbrev , PPPL -fysiker rapporterar att de skapade fenomenet i en laboratoriemiljö där de kunde mäta det direkt och bekräfta dess existens på elektronskalan, som beskriver elektronernas rörelseomfång och hur snabbt de rör sig. Denna forskning finansierades både av DOE:s Office of Science och NASA:s Heliophysics Division.

Plasmoid instabilitet skapar magnetiska bubblor i plasma, superhot gas vars atomer har separerat till elektroner och atomkärnor. De magnetiska bubblorna orsakar då snabb magnetisk återanslutning, när en plasmas magnetfältlinjer bryts isär och sammanfogas igen, släpper ut stora mängder energi. Före nu, fysiker vid NASA och andra institutioner hade bara kunnat direkt bekräfta förekomsten av dessa instabiliteter i kollisionslösa plasma, som de som omger jorden i den övre atmosfären, där plasmapartiklarna inte kolliderar ofta.

Forskare hade inte kunnat bekräfta förekomsten av plasmoid instabilitet vid kollisionsplasma, där partiklarna ofta kolliderar, eftersom sådana plasma inträffar i yttre rymden, långt från jorden. Kollisionsplasma som de på stjärnornas ytor är så långt borta att forskare har svårt att mäta dem direkt. Men fysiker vid Massachusetts Institute of Technology och på andra håll hade förutspått deras existens för år sedan.

Forskare har fått, dock, indirekt bevis på plasmoid instabilitet i yttre rymden. Med hjälp av teleskop och spektroskop, liksom fusionsanläggningar som PPPL:s tidigare flaggskeppsenhet som kallas National Spherical Torus Experiment (NSTX), som sedan har uppgraderats, forskare tog fotografier och analyserade ljus som antydde att instabiliteten existerade. Men utan direkta mätningar, de kunde inte bekräfta att instabiliteten fanns.

"Dessa fynd är viktiga eftersom data som samlats in i tidigare magnetiska återanslutningsexperiment som involverar kollisionsfri plasma inte gäller den stora, kollisionsplasma uppträder i hela rymden, "sa Hantao Ji, professor vid Institutionen för astrofysiska vetenskaper vid Princeton University, framstående kollega på PPPL, och medförfattare till tidningen. "Forskare har länge haft svårt att studera dessa plasma eftersom det är svårt att skapa de nödvändiga förhållandena på jorden, och vi kan inte bara sticka sönder direkt i stjärnor. Nu får vi en inblick i deras arbete. "

Under forskningen, huvudförfattare och doktorand Jonathan Jara-Almonte och teamet använde en PPPL-enhet som kallas Magnetic Reconnection Experiment (MRX). Till skillnad från tidigare experiment, Jara-Almonte och hans team använde en plasma gjord av argonatomer, snarare än väte, deuterium eller helium. Med hjälp av argon, de hittade, tillät dem lättare att producera förutsättningar för kollision igen i plasma.

Tillsammans med att bekräfta förekomsten av plasmoid instabilitet i kollisionsplasma som genomgår återanslutning, forskningen visade att instabilitet kan uppstå även när en plasma inte leder elektricitet bra, ett tillstånd känt för att ha ett lågt Lundquisttal som forskare trodde skulle hindra plasmoid utveckling. Detta var en överraskande upptäckt, eftersom forskare länge har förutspått att plasmoider endast skulle bildas när en plasma leder elektricitet väl.

"Den större bilden är att dessa resultat väcker några frågor om plasmoid instabilitetsteori som ännu inte har besvarats, "sa Jara-Almonte." Resultaten väcker frågor om vad som verkligen händer i andra system. "

MRX -experimentet bekräftade också att plasmoider påskyndar den hastighet vid vilken återanslutning sker - första gången effekten har observerats i en kollisionsmiljö. Att förstå hur snabbt återanslutning sker är viktigt eftersom det kan påverka jorden på dramatiska sätt. När återanslutning sker på solens yta, enorma plasmaskott skjuter ut i rymden och kan kollidera med jordens magnetfält, skapa geomagnetiska stormar som hotar kommunikationssatelliter och elnät.