Plasma, gasliknande samlingar av joner och elektroner, utgör uppskattningsvis 99 procent av den synliga materien i universum, inklusive solen, stjärnorna, och det gasformiga mediet som genomsyrar utrymmet däremellan. De flesta av dessa plasmar, inklusive solvinden som ständigt rinner ut från solen och sveper genom solsystemet, finns i ett turbulent tillstånd. Hur denna turbulens fungerar förblir ett mysterium; det är ett av de mest dynamiska forskningsområdena inom plasmafysik.

Nu, två forskare har föreslagit en ny modell för att förklara dessa dynamiska turbulenta processer.

Resultaten, av Nuno Loureiro, docent i kärnvetenskap och teknik och fysik vid MIT, och Stanislav Boldyrev, professor i fysik vid University of Wisconsin i Madison, rapporteras idag i Astrofysisk tidskrift . Tidningen är den tredje i serien i år som förklarar viktiga aspekter av hur dessa turbulenta samlingar av laddade partiklar beter sig.

"Naturligt förekommande plasma i rymden och astrofysiska miljöer är gängade av magnetfält och existerar i ett turbulent tillstånd, "Säger Loureiro." Det vill säga deras struktur är mycket oordning i alla skalor:Om du zoomar in för att titta mer och närmare på de knep och virvlar som utgör dessa material, du kommer att se liknande tecken på störd struktur i alla storlekar. "Och medan turbulens är ett vanligt och mycket studerat fenomen som förekommer i alla slags vätskor, turbulensen som händer i plasma är svårare att förutsäga på grund av de extra faktorerna för elektriska strömmar och magnetfält.

"Magnetiserad plasmaturbulens är fascinerande komplex och anmärkningsvärt utmanande, " han säger.

Magnetisk återanslutning är ett komplicerat fenomen som Loureiro har studerat i detalj i mer än ett decennium. För att förklara processen, han ger ett välstuderat exempel:"If you watch a video of a solar flare" när det välter utåt och sedan kollapsar tillbaka på solens yta, "det är magnetisk återanslutning i aktion. Det är något som händer på solens yta som leder till explosiva utsläpp av energi." Loureiros förståelse av denna process för magnetisk återanslutning har lagt grunden för den nya analysen som nu kan förklara vissa aspekter av turbulens i plasma.

Loureiro och Boldyrev fann att magnetisk återanslutning måste spela en avgörande roll för dynamiken i plasmaturbulens, en insikt som de säger i grunden förändrar förståelsen av dynamiken och egenskaperna hos rymden och astrofysiska plasma och "är verkligen ett begreppsmässigt skifte i hur man tänker om turbulens, "Säger Loureiro.

Befintliga hypoteser om dynamiken i plasmaturbulens "kan korrekt förutsäga vissa aspekter av det som observeras, " han säger, men de "leder till inkonsekvenser".

Loureiro arbetade med Boldyrev, en ledande teoretiker om plasmaturbulens, och de två insåg "vi kan fixa detta genom att i huvudsak slå samman de befintliga teoretiska beskrivningarna av turbulens och magnetisk återanslutning, "Loureiro förklarar. Som ett resultat, "bilden av turbulens blir konceptuellt modifierad och leder till resultat som närmare matchar vad som har observerats av satelliter som övervakar solvinden, och många numeriska simuleringar. "

Loureiro skyndar sig att tillägga att dessa resultat inte bevisar att modellen är korrekt, men visa att det överensstämmer med befintlig data. "Ytterligare forskning behövs definitivt, "Loureiro säger." Teorin gör specifika, testbara förutsägelser, men dessa är svåra att kontrollera med nuvarande simuleringar och observationer. "

Han lägger till, "Teorin är ganska universell, vilket ökar möjligheterna för direkta tester. "Till exempel, det finns lite hopp om att ett nytt NASA -uppdrag, Parkers solprob, som är planerad att lanseras nästa år och kommer att observera solens corona (den heta plasmaringen runt solen som bara syns från jorden under en total förmörkelse), kunde tillhandahålla nödvändiga bevis. Den sonden, Loureiro säger, kommer att gå närmare solen än någon tidigare rymdfarkost, och den bör ge de mest exakta uppgifterna om turbulens i corona hittills.

Att samla in denna information är väl värt besväret, Loureiro säger:"Turbulens spelar en kritisk roll i en mängd olika astrofysiska fenomen, "inklusive flöden av materia i kärnan av planeter och stjärnor som genererar magnetfält via en dynamoeffekt, transport av material i ansamlingsskivor runt massiva centrala föremål som svarta hål, uppvärmning av stjärnkoronor och vindar (gaserna blåser hela tiden bort från stjärnornas ytor), och skapandet av strukturer i det interstellära mediet som fyller de stora utrymmena mellan stjärnorna. "En gedigen förståelse för hur turbulens fungerar i en plasma är nyckeln till att lösa dessa långvariga problem, " han säger.

"Denna viktiga studie representerar ett betydande steg framåt mot en djupare fysisk förståelse av magnetiserad plasmaturbulens, "säger Dmitri Uzdensky, docent i fysik vid University of Colorado, som inte var inblandad i detta arbete. "Genom att belysa djupa förbindelser och interaktioner mellan två allestädes närvarande och grundläggande plasmaprocesser - magnetohydrodynamisk turbulens och magnetisk återanslutning - förändrar denna analys vår teoretiska bild av hur energin i turbulenta plasmaberörelser kaskader från stora ner till små skalor."

Han lägger till, "Detta arbete bygger på en tidigare banbrytande studie som publicerades av dessa författare tidigare i år och sträcker sig till ett bredare område av kollisionslösa plasma. Detta gör den resulterande teorin direkt tillämplig på mer realistiska plasmamiljöer som finns i naturen. Samtidigt, detta dokument leder till nya frestande frågor om plasmaturbulens och återanslutning och öppnar därmed nya forskningsinriktningar, därmed stimulera framtida forskningsinsatser inom rymdfysik och plasmaastrofysik. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.