Magnetiska krafter krusar i hela universum, från fälten som omger planeterna till gaserna som fyller galaxer, och kan startas av ett fenomen som kallas Biermann-batterieffekten. Nu har forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) funnit att detta fenomen inte bara kan generera magnetfält, men kan bryta dem för att utlösa magnetisk återkoppling - en anmärkningsvärd och överraskande upptäckt.

Biermann batterieffekt, ett möjligt frö till magnetfälten som genomsyrar vårt universum, uppstår i plasma — tillståndet hos materia som består av fria elektroner och atomkärnor — när plasmatemperaturen och densiteten är felinställda. Topparna på sådana plasma kan vara varmare än bottnarna, och densiteten kan vara större på vänster sida än på höger. Denna felinställning ger upphov till en elektromotorisk kraft som genererar ström som leder till magnetfält. Processen är uppkallad efter Ludwig Biermann, en tysk astrofysiker som upptäckte det 1950.

Avslöjas genom datorsimuleringar

De nya rönen avslöjar genom datorsimuleringar en tidigare okänd roll för Biermann-effekten som skulle kunna förbättra förståelsen för återkoppling - den splittrade och våldsamma återkopplingen av magnetfältslinjer i plasma som ger upphov till norrsken, solflammor och geomagnetiska rymdstormar som kan störa mobiltelefontjänster och elnät på jorden.

Resultaten "ger en ny plattform för att i laboratoriet replikera den återkoppling som observerats i astrofysiska plasma, sa Jackson Matteucci, en doktorand på programmet i plasmafysik vid PPPL och huvudförfattare till en beskrivning av processen i Physical Review Letters. Medförfattare till uppsatsen inkluderar hans avhandlingsrådgivare, Will Fox från PPPL och Amitava Bhattacharjee, chef för PPPL-teoriavdelningen, och forskare från andra laboratorier.

Simuleringarna modellerade publicerade resultat av experiment i Kina som studerade plasma med hög energidensitet (HED) - materia under extremt tryck som finns i jordens kärna. Experimenten, där PPPL inte spelade någon roll, använde lasrar för att spränga ett par plasmabubblor från ett fast metallmål. Simuleringar av den tredimensionella plasman spårade expansionen av bubblorna och de magnetiska fälten som Biermann-effekten skapade, och spårade kollisionen av fälten för att producera magnetisk återkoppling.

Simuleringarna visade att temperaturen ökade i de återanslutande fältlinjerna och omkastade rollen av Biermann-effekten som skapade linjerna. På grund av spiken, Biermann-effekten förstörde magnetfältslinjerna som den hade skapat, klippa dem som en sax som klipper ett gummiband. De skivade fälten kopplades sedan samman igen nedströms, bort från den ursprungliga återanslutningspunkten. "Detta är den första simuleringen som visar Biermann batterimedierad magnetisk återkoppling, Matteucci sa. "Denna process hade aldrig varit känd förut."

Spåra miljarder joner och elektroner

Att modellera HED-experimenten krävde spårning av miljarder joner och elektroner som interagerar med varandra och med de elektriska och magnetiska fält som deras rörelse skapade, i vad som kallas 3-D kinetiska simuleringar. Forskare genomförde dessa simuleringar på superdatorn Titan vid DOE Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) vid Oak Ridge National Laboratory.

Forskarna har sedan dess modellerat ett brittiskt experiment och arbetar med simuleringar av experiment utförda vid Laboratory for Laser Energetics (LLE) vid University of Rochester och National Ignition Facility vid Lawrence Livermore National Laboratory.