Som på jorden, så i rymden. Ett uppdrag med fyra satelliter som studerar magnetisk återanslutning-att magnetfältlinjerna i plasma bryts sönder och explosivt återkommer i hela universum-har funnit viktiga aspekter av processen i rymden påfallande lik de som finns i experiment vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Likheterna visar hur studierna kompletterar varandra:Laboratoriet fångar viktiga globala drag vid återanslutning och rymdfarkosten dokumenterar lokala nyckelegenskaper när de inträffar.

Observationerna gjorda av uppdraget Magnetospheric Multiscale Satellite (MMS), som NASA lanserade 2015 för att studera återanslutning i magnetfältet som omger jorden, överensstämmer ganska väl med tidigare och nuvarande laboratoriefynd från Magnetic Reconnection Experiment (MRX) vid PPPL. Tidigare MRX -forskning avslöjade processen genom vilken snabb återanslutning sker och identifierade mängden magnetisk energi som omvandlas till partikel energi under processen, som ger upphov till norrsken, soluppblåsningar och geomagnetiska stormar som kan störa mobiltelefontjänsten, mörklägga elnät och skada kretsande satelliter.

Riktlinjer för MMS -mätningar

De tidigare MRX -fynden fungerade som riktlinjer för mätningar som gjorts av MMS -uppdraget, som försöker förstå den region där återanslutningen av fältlinjer i plasma - materiens tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor, eller joner - äger rum. De senaste PPPL -experimenten utvidgar resultaten till nya avtalsområden. "Trots stora skillnader i storleken på återanslutningsskikten i MRX och i rymden, anmärkningsvärt liknande egenskaper observeras i båda, "sa Masaaki Yamada, huvudutredare på MRX, och huvudförfattare till den senaste tidningen som rapporterar resultaten i den 6 december upplagan av Naturkommunikation .

Den tidigare laboratorieforskningen undersökte "symmetrisk" återanslutning, där densiteten hos plasma på varje sida av återanslutningsregionerna är ungefär densamma. Det nya papperet tittar på återanslutning i magnetopausen - magnetosfärens yttre område - och i MRX som är "asymmetrisk, "vilket innebär att plasma på ena sidan av regionen är minst tio gånger tätare än på den andra. MMS -uppdraget har fokuserat sin inledande forskning på den asymmetriska aspekten av återanslutning, eftersom plasma i solvinden - de laddade partiklarna som strömmar från solen - är mycket tätare än plasman i magnetosfären.

I det nya papperet forskare undersöker vad som kallas "tvåvätske" fysik för återanslutning som beskriver varje beteende hos joner och elektroner olika under processen. Sådan fysik dominerar magnetisk återanslutning i både MRX och magnetosfäriska plasmasystem, möjliggör en oöverträffad nivå av korsundersökningar mellan laboratoriemätningar och rymdobservationer.

Viktiga fynd

Följande är nyckelfynd av tvåvätskan, asymmetrisk forskning om MRX som visar sig överensstämma med mätningar av elektron- och jonbeteende från rymdsatelliterna och omvandling av magnetisk energi till partikel energi. Datorsimuleringar hjälpte dessa fynd:

• Elektroner. Experimenten visade att elektronström flyter vinkelrätt, och inte parallellt som en gång trodde, till magnetfältet. Detta flöde är nyckeln till omvandlingen av magnetisk energi i elektroner som sker i ett smalt gränsskikt som kallas "elektrondiffusionsregionen" där snabb återanslutning sker. Fyndet överensstämmer med de senaste MMS -rymdmätningarna och nytt i laboratoriet för asymmetrisk återanslutning.
• Joner. Jonströmmen flyter också vinkelrätt mot magnetfältet som i elektronhuset, och är också nyckeln till omvandlingen av jonmagnetisk energi till partikel energi. För joner, denna omvandling sker i den bredare "jondiffusionsregionen" mellan konvergerande plasma och är en liknande nyligen upptäckt om asymmetrisk återanslutning i laboratorieplasma.

MRX -experimenten studerade vidare olika aspekter av konvertering i de symmetriska och asymmetriska fallen. Vid symmetrisk återanslutning, 50 procent av magnetisk energi befanns tidigare omvandlas till joner och elektroner, med en tredjedel av omvandlingen som påverkar elektronerna och två tredjedelar accelererar jonerna. Den totala omvandlingsfrekvensen förblir ungefär densamma i det asymmetriska fallet, liksom förhållandet energiomvandling för joner och elektroner.