Magnetisk återkoppling, en process där magnetfältslinjer slits och återgår till varandra, frigör stora mängder kinetisk energi, förekommer i hela universum. Processen ger upphov till norrsken, solflammor och geomagnetiska stormar som kan störa mobiltelefontjänster och elnät på jorden. En stor utmaning i studiet av magnetisk återkoppling, dock, överbryggar gapet mellan dessa storskaliga astrofysiska scenarier och småskaliga experiment som kan göras i ett labb.

Forskare har nu övervunnit denna barriär genom en kombination av smarta experiment och banbrytande simuleringar. Genom att göra så, de har avslöjat en tidigare okänd roll för en universell process som kallas "Biermann batterieffekt, " som visar sig påverka magnetisk återkoppling på oväntade sätt.

Biermann batterieffekt, ett möjligt frö till magnetfälten som genomsyrar vårt universum, genererar en elektrisk ström som producerar dessa fält. De överraskande fynden, gjorda genom datorsimuleringar, visa att effekten kan spela en betydande roll i återkopplingen som sker när jordens magnetosfär interagerar med astrofysiska plasma. Effekten genererar först magnetiska fältlinjer, men sedan byter roller och klipper dem som en sax som skär ett gummiband. De skivade fälten återansluts sedan bort från den ursprungliga återanslutningspunkten.

Simuleringarna modellerade resultaten av experiment i Kina som studerade plasma med hög energidensitet - materia under extrema trycktillstånd. Experimenten använde lasrar för att spränga ett par plasmabubblor från ett fast metallmål. Simuleringar av den tredimensionella plasman (Figur 1) spårade expansionen av bubblorna och de magnetiska fälten som Biermann-effekten skapade, spåra kollisionen av fälten för att producera magnetisk återkoppling. Forskare utförde dessa simuleringar på Titan-superdatorn vid det amerikanska energidepartementets Oak Ridge Leadership Computing Facility vid Oak Ridge National Laboratory.

Resultaten "ger en ny plattform för att replikera återkopplingen som observerats i astrofysiska plasma i laboratoriet, sa Jackson Matteucci, en doktorand på Plasma Physics-programmet vid Princeton Plasma Physics Laboratory som ledde forskningen.

Genom att överbrygga det traditionella gapet mellan laboratorieexperiment och astrofysiska processer, dessa resultat öppnar ett nytt kapitel i ansträngningarna att förstå universum.