Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) en Princeton University van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een baanbrekende oplossing voorgesteld voor een mysterie dat natuurkundigen al tientallen jaren in verwarring brengt. Het gaat erom hoe magnetische herverbinding, een universeel proces dat zonnevlammen veroorzaakt, noorderlicht en kosmische gammaflitsen, gebeurt zoveel sneller dan volgens de theorie mogelijk zou moeten zijn. Het antwoord kan helpen bij het voorspellen van ruimtestormen, verschillende hoogenergetische astrofysische verschijnselen verklaren, en het verbeteren van de plasma-opsluiting in donutvormige magnetische apparaten, tokamaks genaamd, ontworpen om energie uit kernfusie te halen.

Magnetische herverbinding vindt plaats wanneer de magnetische veldlijnen ingebed in een plasma - het hete, geladen gas dat 99 procent van het zichtbare heelal uitmaakt – convergeert, uit elkaar vallen en explosief opnieuw verbinden. Dit proces vindt plaats in dunne platen waarin elektrische stroom sterk is geconcentreerd.

Volgens de conventionele theorie, deze platen kunnen zeer langwerpig zijn en de snelheid van de magnetische veldlijnen die samenkomen en uit elkaar splitsen ernstig beperken, waardoor een snelle herverbinding onmogelijk wordt. Echter, observatie laat zien dat er een snelle herverbinding bestaat, rechtstreeks in tegenspraak met theoretische voorspellingen.

Gedetailleerde theorie voor snelle herverbinding

Nutsvoorzieningen, natuurkundigen van PPPL en Princeton University hebben een gedetailleerde theorie gepresenteerd voor het mechanisme dat leidt tot snelle herverbinding. hun papier, gepubliceerd in het tijdschrift Fysica van plasma's in oktober, richt zich op een fenomeen genaamd "plasmoïde instabiliteit" om het begin van het snelle herverbindingsproces te verklaren. Ondersteuning voor dit onderzoek komt van de National Science Foundation en het DOE Office of Science.

Plasmoïde instabiliteit, die plasmastroomplaten opsplitst in kleine magnetische eilanden die plasmoïden worden genoemd, heeft de afgelopen jaren veel belangstelling gewekt als mogelijk mechanisme voor snelle heraansluiting. Echter, juiste identificatie van de eigenschappen van de instabiliteit was ongrijpbaar.

Het artikel Physics of Plasmas behandelt dit cruciale probleem. Het presenteert "een kwantitatieve theorie voor de ontwikkeling van de plasmoïde instabiliteit in plasmastroomplaten die in de tijd kan evolueren", zei Luca Comisso, hoofdauteur van de studie. Co-auteurs zijn Manasvi Lingam en Yi-Ming Huang van PPPL en Princeton, en Amitava Bhattacharjee, hoofd van de afdeling Theorie van PPPL en Princeton hoogleraar astrofysische wetenschappen.

Het principe van Pierre de Fermat

Het artikel beschrijft hoe de plasmoïde-instabiliteit begint in een langzame lineaire fase die een periode van rust doormaakt voordat hij versnelt tot een explosieve fase die een dramatische toename van de snelheid van magnetische herverbinding veroorzaakt. Om de belangrijkste kenmerken van deze instabiliteit te bepalen, de onderzoekers pasten een variant aan van het 17e-eeuwse 'principe van de minste tijd', bedacht door de wiskundige Pierre de Fermat.

Door dit principe te gebruiken, konden de onderzoekers vergelijkingen afleiden voor de duur van de lineaire fase, en voor het berekenen van de groeisnelheid en het aantal gecreëerde plasmoïden. Vandaar, deze benadering met de minste tijd leidde tot een kwantitatieve formule voor de aanvangstijd van snelle magnetische herverbinding en de fysica erachter.

Het papier produceerde ook een verrassing. De auteurs ontdekten dat dergelijke relaties niet de traditionele machtswetten weerspiegelen, waarin de ene grootheid varieert als een kracht van een andere. "Het is gebruikelijk in alle domeinen van de wetenschap om het bestaan ​​van machtswetten te zoeken, " schreven de onderzoekers. "In tegenstelling, we ontdekken dat de schaalrelaties van de plasmoïde instabiliteit geen echte machtswetten zijn - een resultaat dat nog nooit eerder is afgeleid of voorspeld."