En förbryllande process som kallas magnetisk återkoppling utlöser explosiva fenomen i hela universum, vilket skapar solflammor och rymdstormar som kan ta ner mobiltelefontjänster och elnät. Nu har forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) detaljerat en färdplan för att reda ut en nyckelaspekt av detta pussel som kan fördjupa insikten om hur kosmos fungerar.

Återkoppling omvandlar magnetfältsenergin till partikelutbrott i astrofysiska plasma genom att bryta isär och explosivt återansluta magnetfältslinjerna – en process som sker inom så kallade spridningsregioner som ofta är enormt mindre än de regioner de påverkar.

Stressat magnetfält

"Plasma gillar inte återkoppling", säger Hantao Ji, en PPPL-fysiker och professor vid Princeton University som är första författare till en artikel som beskriver färdplanen i Nature Reviews Physics . "Men återanslutningen sker när magnetfältet är tillräckligt stressat", sa han.

"Spridningsskalor är små medan astrofysiska skalor är mycket stora och kan sträcka sig över miljontals miles. Att hitta ett sätt att överbrygga dessa skalor genom en flerskalemekanism är nyckeln till att lösa återkopplingspusslet."

Färdkartan beskriver rollen av att utveckla teknologier med flerskalig kapacitet som Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE), en nyligen installerad samarbetsanläggning som håller på att uppgraderas och kommer att undersöka aspekter av magnetisk återkoppling som aldrig tidigare varit tillgänglig för laboratorieexperiment. Som ett komplement till dessa experiment kommer simuleringar av kommande superdatorer i exaskala som kommer att vara 10 gånger snabbare än nuvarande datorer. "Förhoppningen är att FLARE och exascale computing ska gå hand i hand", sa Ji.

Arbetsteorin som PPPL-färdplanen föreslår är att multipla plasmoider, eller magnetiska öar, som uppstår vid återanslutning längs långa plasmaströmskivor kan överbrygga det stora spektrumet av skalor. Sådana plasmoider skulle närmare motsvara den drabbade återkopplingsregionen, med flerskaliga laboratorieexperiment planerade för att tillhandahålla de första testerna av denna teori och för att utvärdera konkurrerande hypoteser.

"Exascale kommer att tillåta oss att göra mer trovärdiga simuleringar baserade på högtrogna FLARE-experiment", säger PPPL-fysikern Jongsoo Yoo, en medförfattare till tidningen. Den ökade storleken och kraften hos den nya maskinen – dess diameter kommer att vara dubbelt så stor som det magnetiska återkopplingsexperimentet (MRX), PPPL:s mångåriga laboratorieexperiment, i storlek av sportfordon – och kommer att göra det möjligt för forskare att replikera återanslutning i naturen mer troget .

"FLARE kan komma åt bredare astrofysiska regimer än MRX med flera återkopplingspunkter och mäta fältgeometrin under återanslutningen", säger William Daughton, en beräkningsforskare vid Los Alamos National Laboratory och medförfattare till tidningen. "Att förstå den här fysiken är viktigt för att förutsäga hur återanslutningen fortskrider i solflammor," sa han.

Nyckelutmaning

En viktig utmaning för de kommande experimenten kommer att vara att förnya nya högupplösta diagnostiska system fria från restriktiva antaganden. När de väl utvecklats kommer dessa system att göra det möjligt för FLARE att bygga vidare på satellitobservationer som de som producerats av Magnetospheric Multiscale-uppdraget, en flotta på fyra rymdfarkoster som lanserades 2015 för att studera återanslutningen i magnetosfären, det magnetiska fältet som omger jorden.

"Framsteg när det gäller att förstå flerskalefysik beror kritiskt på innovation och effektiv implementering av sådana diagnostiksystem under det kommande decenniet," sa tidningen. De nya resultaten kommer att behandla öppna frågor som inkluderar:

• Hur börjar återanslutningen?

• Hur värms och accelereras explosiva plasmapartiklar?

• Vilken roll spelar återkoppling i relaterade processer som turbulens och rymdchocker?

Sammantaget, "Papperet lägger upp planer på att förse hela rymdfysik- och astrofysikgemenskaperna med metoder för att lösa flerskaleproblemet," sa Yoo. En sådan lösning skulle markera ett stort steg mot en mer fullständig förståelse av magnetisk återkoppling i stora system i hela universum. + Utforska vidare

Ny insikt om blobbar förbättrar förståelsen för en universell process