Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har upptäckt viktiga förhållanden som ger upphov till snabb magnetisk återanslutning, processen som utlöser soluppblåsningar, auroror, och geomagnetiska stormar som kan störa signalöverföringar och andra elektriska aktiviteter, inklusive mobiltelefontjänst. Processen sker när magnetfältlinjerna i plasma, den heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor, bryta isär och återansluta våldsamt, släpper ut stora mängder energi. Detta händer i tunna plasmaplattor, kallas nuvarande blad, där elektrisk ström är starkt koncentrerad.

Genom att införliva datorsimuleringar, fynden lägger till en tidigare teori om snabb återanslutning utvecklad matematiskt av fysiker vid PPPL och Princeton University. De nya resultaten innehåller en prediktiv modell som ger en mer fullständig beskrivning av fysiken som berörs.

Effekten av återanslutning kan kännas i hela universum. Processen kan orsaka enorma utbrott av gammastrålning som antas vara associerad med supernovaexplosioner och bildandet av ultratäta neutronstjärnor och svarta hål. "En gammastrålning sprack i vår Vintergatans galax, om den pekar mot jorden, kan potentiellt orsaka en massutrotningshändelse, "sa PPPL-fysikern Yi-Min Huang, huvudförfattare till ett papper som rapporterar resultaten i Astrofysisk tidskrift . "Klart, det är viktigt att veta när, hur, och varför magnetisk återanslutning sker. "

Forskare har observerat att återanslutning sker plötsligt, efter en lång period av vilande beteende av magnetfält inuti aktuella ark. Vad exakt gör att magnetfälten separeras och återansluts, och varför sker återanslutningen snabbare än teorin säger att den borde?

Med hjälp av datasimuleringar och teoretisk analys, fysikerna visade att ett fenomen som kallas "plasmoid instabilitet" skapar bubblor i plasma som kan leda till återanslutning när vissa villkor är uppfyllda:

• Plasma måste ha ett högt Lundquist -tal, vilket kännetecknar hur bra den leder elektricitet.
• Slumpmässiga fluktuationer i plasmans magnetfält ger "frön" från vilka plasmainstabiliteten växer.

Tagen tillsammans, dessa förhållanden tillåter plasmoid instabilitet att ge upphov till återanslutning i nuvarande ark. "Vår studie tyder på att avbrott i det aktuella arket som orsakas av plasmoid instabilitet kan ge en utlösare, Sa Huang.

Utlösaren bryter upp tvådimensionella ark av elektrisk ström i plasma till bubblor, eller plasmoider, och många mindre ark. Det växande antalet ark skapar större möjligheter för magnetiska linjer att bryta isär och gå samman. Återanslutning sker också på mer än ett ställe, vilket gör att aggregeringshastigheten för ett helt system ökar.

Den mindre storleken på nuvarande ark påskyndar också återanslutningen. Elektromagnetiska krafter tenderar att driva plasma mellan ark, producerar rörelse som accelererar när arken bryts i mindre. Den accelererande plasma för samman magnetiska linjer snabbare och leder till snabbare återanslutningshastigheter.

Huang och andra fysiker skulle vilja testa sin nya modell med experimentella maskiner med ytterligare kapacitet. Även om det inte finns någon sådan maskin för närvarande, forskare ser fram emot en ny enhet som kommer online.