Snabb magnetisk återanslutning, den snabba konvergensen, separation och explosiv knäppning av magnetfältlinjer, ger upphov till norrsken, soluppblåsningar och geomagnetiska stormar som kan störa mobiltelefontjänster och elnät. Fenomenet utspelar sig i plasma, tillståndet hos materia som består av fria elektroner och atomkärnor, eller joner, som utgör 99 procent av det synliga universum. Men huruvida snabb återanslutning kan ske i delvis joniserad plasma - plasma som inkluderar atomer såväl som fria elektroner och joner - är inte väl förstådd.

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har nu tagit fram den första helt kinetiska modellen för beteendet hos plasmapartiklar och funnit att snabb återanslutning verkligen kan ske i delvis joniserade system. Kinetiska modeller simulerar fördelningen och hastigheten för miljarder partiklar, jämfört med vätskemodeller som behandlar plasma som ett kontinuerligt medium snarare än som en samling av enskilda partiklar.

"Det finns en hel klass av partiellt joniserade plasma vars koppling till återkoppling inte har studerats väl, "sa fysikern Jonathan Jara-Almonte, huvudförfattare till en artikel i Fysiska granskningsbrev som rapporterar de senaste fynden. "Vi har nu visat att snabb återanslutning kan ske i delvis joniserade system."

Till exempel, forskningen tyder på att snabb återanslutning i den delvis joniserade plasma i solkromosfären, området mellan solens yta och den haloliknande solkoronan, kan spela en roll i utvecklingen av jetströmmar. Sådana strömmar är en möjlig källa till solvinden som studsar varmt, laddad plasma från jordens magnetfält.

Viktiga konsekvenser

Snabb återanslutning i delvis joniserad plasma har viktiga konsekvenser för det interstellära mediet, de stora gas- och dammolnen som fyller kosmos mellan stjärnorna. Kylan, täta områden i det interstellära mediet där stjärnor bildas är endast mycket dåligt joniserade, och snabb återanslutning som sker inom dessa regioner kan hjälpa till att ta bort magnetfält som förhindrar stjärnbildning.

Att förstå när och var snabb återanslutning sker är fortfarande ett olöst problem, och tidigare analytiska förutsägelser för delvis joniserade plasma förlitar sig på extrapolering från helt joniserade. De nya simuleringarna, utförs på datorer vid Princeton University, visat att övergången till snabb återanslutning endast sker när det aktuella arket är mycket tunnare än förutspått. Resultaten tyder på att transport av plasma och värme är annorlunda i delvis joniserade plasma och kan förändra hur och när återanslutning sker.

Dessa fynd fokuserar på återkoppling i mycket liten skala, till skillnad från processen som sker i solkromosfären. Ändå, simuleringen visade sig vara kompatibel med återanslutning i övre kromosfären såväl som i småskaliga laboratorieexperiment.

Går framåt, Jara-Almonte planerar att jämföra fynd från den kinetiska simuleringen med de av vätskesimuleringar som har dominerat tidigare modellering av delvis joniserade plasma. Medförfattare till den senaste tidningen var PPPL-fysikerna Hantao Ji, professor i astrofysiska vetenskaper vid Princeton University; Masaaki Yamada, huvudutredare för Magnetic Reconnection Experiment (MRX) vid PPPL; och Will Fox, tillsammans med Bill Daughton från Los Alamos National Laboratory.