I juli 2012, en kraftig solstorm träffade nästan jorden. Forskare uppskattar att det hade storm, kallas en koronal massutstötning (CME), träffa planeten, påverkan skulle ha skadat elnäten över hela världen, bränner ut transformatorer och instrument.

En NASA -sond som råkade ligga i CME:s väg upptäckte några av de laddade partiklarna som den innehöll. Data satelliten samlade in visade att stormen var dubbelt så kraftfull som en händelse 1989 som slog ut hela Quebecs elnät, störde strömförsörjningen över hela USA och gjorde norrskenet synligt så långt söderut som Kuba. Faktiskt, den senaste stormen kan ha varit starkare än den första och mest kraftfulla CME som är känd för att träffa planeten, Carrington -evenemanget. Att stormen från 1859 sprutade gnistor från telegrafledningar, sätta eld på telegrafstationer. Forskare sätter oddsen för att en CME i Carrington-storlek ska inträffa år 2024-och eventuellt slå jorden-till 12 procent.

Sådana händelser inträffar när fältlinjer i solens massiva magnetiska system knäpper och återansluter. "Magnetiska fält är en reservoar av en enorm mängd energi, och stora utbrott sker där denna energi frigörs, "säger Amitava Bhattacharjee, en plasmafysiker vid Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), en Department of Energy-anläggning i Princeton, New Jersey. "Laddade partiklar tenderar att knytas till magnetfältlinjer som pärlor på en tråd - när tråden går sönder, pärlorna kastas av med enorma hastigheter. "

Fenomenet, känd som snabb magnetisk återkoppling, förblir ett mysterium. Ingen vet hur fältlinjer går sönder och återförenas tillräckligt snabbt för att slänga ut miljarder ton material som släpps loss i en CME, eller till och med i de mindre utbrotten av vanliga solfacklor. I laboratorieexperiment och simuleringar Bhattacharjee och hans kollegor har avslöjat nya mekanismer som hjälper till att förklara snabb magnetisk återanslutning.

Bhattacharjee har strävat efter sådana mekanismer sedan forskarskolan, när han insåg att plasmafysik är "en vacker, klassiskt fält med underbara ekvationer som var bra saker att analysera och göra datorsimuleringar med, säger han. Samtidigt, han såg att plasma - som utgör 99,5 procent av det synliga universum - också är nyckeln till "ett mycket praktiskt och viktigt problem för mänskligheten, nämligen magnetisk fusionsenergi. "

I årtionden, kärnfusionsmaskiner, såsom munkformade tokamaker, har lovat en praktiskt taget obegränsad tillgång på relativt ren energi. Men en fungerande fusionsenhet är fortfarande utom räckhåll, delvis på grund av snabb magnetisk återanslutning. "Magnetiska fusionsreaktorer har magnetfält i sig, och dessa magnetiska fält kan också återansluta och orsaka störande instabiliteter i en tokamak-fusionsplasma, " säger Bhattacharjee, professor i astrofysiska vetenskaper vid Princeton University och chef för PPPL:s teori- och beräkningsavdelning.

I den nuvarande modellen för återanslutning, motsatta magnetfält pressas ihop av någon yttre kraft, såsom plasmaströmmar. En tunn, platta kontaktytor bildas mellan de två fälten, bygga spänningar i fältlinjerna. I denna tunna region, kallas ett aktuellt blad, plasmapartiklar - joner och elektroner - kolliderar med varandra, bryta fältlinjer och låta dem bilda nya, lägre energiförbindelser med partners från det motsatta magnetfältet. Men under denna modell, linjerna återansluts bara så snabbt som de trycks in i det aktuella arket – inte alls tillräckligt snabbt för att förklara det enorma utflödet av energi och partiklar i en snabb återkopplingshändelse.

Eftersom denna långsamma återanslutningsmodell beror på plasmapartiklar, många forskargrupper har sökt efter kollisionlösa effekter som kan orsaka snabb återanslutning. Lovande förklaringar fokuserar på beteendet hos laddade partiklar i det aktuella bladet, där fältstyrkan är nära noll. Där, de massiva laddade egenskaperna, tröga joner undertrycks, och de smidiga elektronerna är fria att bära ström- och piskfältlinjerna till nya konfigurationer.

För laboratorieexperiment på dolda mekanismer, Bhattacharjees team använder kraftfulla lasrar vid University of Rochesters Omega -anläggning. För att utveckla datormodeller, gruppen använder Titan, en Cray XK7 superdator vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, en användaranläggning för DOE Office of Science, genom vetenskapskontorets program för innovativ och ny beräkningseffekt på teori och experiment (INCITE). Office of Science's Fusion Energy Sciences -program och DOE National Nuclear Security Administration sponsrar experimenten.

I ett tidigt experiment ledd av PPPL-forskningsfysikern Will Fox, laget pekade två intensiva Omega -lasrar på material som ger plasmabubblor under strålarna. Varje bubbla skapade spontant sitt eget magnetfält genom en effekt som kallas Biermann -batteriet. Som händer i solen och kärnfusionsenheter, laddade plasmapartiklar uppställda på magnetfältlinjerna. Bubblorna plöjde i varandra, och ett strömark bildades mellan dem. Återanslutningshastigheten mellan fälten var snabb - för snabb för klassisk teori.

"Det var där vi först etablerade den bakomliggande mekanismen för återanslutning som sker i den här maskinen, "Säger Bhattacharjee. Teamet hade nu en modell för snabb magnetisk återanslutning, en tillämplig på tidigare banbrytande experiment som utförts av grupper i Storbritannien och USA. En simulering på Titan visade att fler fältlinjer var ihoppackade i det aktuella arket än någon hade insett, ett fenomen som kallas flux pileup. Studien visade att förutom tidigare föreslagna kollisionsfria effekter, flux pileup spelar en roll för snabb återanslutning.

I senare experiment ledda av Gennady Fiksel, nu vid University of Michigan, laget ville inte enbart förlita sig på spontant genererade magnetfält. "Vi kände att vi behövde större kontroll över de magnetfält vi använde för återanslutningsprocessen, "Säger Bhattacharjee." Och så använde vi en extern generator som heter MIFEDS (magneto-inertial fusion elektrisk urladdningssystem), som producerade externa magnetfält som vi kunde kontrollera."

För att fånga förändringar i detta fält, laget fyllde utrymmet med en tunn bakgrundsplasma, genereras av en tredje laser, och avbildade den med en stråle av protoner, vilka magnetfält avböjer. När två plasmabubblor träffade det yttre magnetfältet, laget skapade den tydligaste bilden hittills av händelser som äger rum i regionen där fältlinjer återansluts. Den nya konfigurationen visade också fluxpileup, följt av en återanslutningshändelse som inkluderade små plasmabubblor som bildades i området mellan bubblorna och, till sist, plötslig förintelse av magnetfältet.

"Mekanismen som vi hittade är att du bildar detta tunna nuvarande ark som sedan kan vara instabilt, i vad vi kallar en plasmoid-instabilitet som bryter upp detta tunna strömskikt till små magnetiska bubblor, "Säger Bhattacharjee." Den plasmoida instabiliteten är en ny mekanism för att snabbt återansluta, som sker på en tidsskala som är oberoende av plasmas motstånd. "

Bhattacharjee och hans kollegor arbetar för att förstå hur deras upptäckt passar in i den stora bilden av solaktivitet, solstormar och kärnfusionsanordningar. När de och den bredare gemenskapen av plasmafysiker helt förstår återanslutning, förmågan att förutsäga CME och tämja några av plasmainstabiliteten inuti tokamakreaktorer, till exempel, kan vara inom räckhåll.