Tvärtemot vad många tror, yttre rymden är inte tom. Förutom en elektriskt laddad soppa av joner och elektroner som kallas plasma, rymden genomsyras av magnetfält med ett brett spektrum av styrkor. Astrofysiker har länge undrat hur dessa fält produceras, oavbruten, och förstorad. Nu, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har visat att plasmaturbulens kan vara orsaken, ge ett möjligt svar på vad som har kallats ett av de viktigaste olösta problemen inom plasmaastrofysik.

Forskarna använde kraftfulla datorer vid Princeton Institute for Computational Science and Engineering (PICSciE) och National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory för att simulera hur turbulensen kunde intensifiera magnetfält genom det som kallas dynamo effekt, där magnetfälten blir starkare när magnetfältslinjerna vrids och vänder sig. "Detta arbete utgör ett viktigt steg mot att för första gången besvara frågan om huruvida turbulens kan förstärka magnetiska fält till dynamiska styrkor i en het, utspädd plasma, som den som finns i kluster av galaxer, sa Matthew Kunz, en astrofysikprofessor vid Princeton University och en författare till tidningen, som publicerades i The Astrophysical Journal Letters .

Tidigare forskning har fokuserat på dynamos som de kan förekomma i så kallade kollisionsplasma, där partiklar kollektivt beter sig som en vätska. Men intergalaktiska plasma är kollisionsfria, så tidigare experiment är inte nödvändigtvis relevanta. Den här nya forskningen är avsedd att ta itu med den klyftan. "Vi ville se hur dynamo skulle bete sig i den kollisionsfria regimen, " sa Denis St-Onge, doktorand i Princeton-programmet i plasmafysik vid PPPL och huvudförfattare till uppsatsen.

St-Onge och Kunz fokuserade på hur hastigheterna och magnetfälten hos enskilda partiklar i kollisionsfri plasma är direkt kopplade. Denna koppling – om en kvantitet ökar eller minskar, den andra måste, också — skulle tyckas utesluta existensen av en dynamo. "Om det här var hela historien, det skulle vara katastrofalt för dynamo, " sa St-Onge. "För att matcha vad vi observerar i rymden, dynamo skulle behöva öka styrkan på frömagnetfältet med minst en faktor på en biljon, men partiklarnas energi skulle också behöva öka, och det finns helt enkelt inte tillräckligt med tillgänglig energi i dynamo för att det ska hända."

För att producera styrkan hos magnetiska fält som observeras i rymden, bandet som binder partikelenergi till magnetism måste brytas. Detta är precis vad St-Onge och Kunz observerade i datorsimuleringarna:att typer av plasmaturbulens, känd som spegel- och brandslangsinstabilitet, fick plasmapartiklarna att spridas, och spridning bröt kopplingen mellan partikelenergi och magnetism och tillät magnetfältens amplituder att växa närmare det som observeras i naturen.

Framtida forskning, St-Onge anteckningar, kommer att fokusera på varför denna turbulenta spridning uppstår. "Dessutom, vi skulle vilja undersöka detaljerna kring partikelspridning, " sa St-Onge. "Hur exakt får instabiliteten att partiklarna sprids, hur ofta sker spridningen, och kan spridningen leda till plötsligt, dramatisk tillväxt av ett magnetfält? Den sista idén är en idé som föreslogs av PPPL-direktör Steven Cowley för flera år sedan. Vi skulle vilja undersöka om detta är sant."