Wetenschappers zijn dichter dan ooit bij het ontrafelen van een proces dat magnetische herverbinding wordt genoemd en dat explosieve verschijnselen in het hele universum veroorzaakt. Zonnevlammen, noorderlicht en geomagnetische stormen die de mobiele telefoondienst kunnen verstoren en stroomonderbrekingen worden allemaal veroorzaakt door magnetische veldlijnen die samenkomen, uit elkaar vallen en gewelddadig opnieuw verbinden op manieren die niet volledig worden begrepen.

Nu hebben natuurkundigen Masaaki Yamada van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en Ellen Zweibel van de University of Wisconsin-Madison een belangrijk perspectief gegeven op vier belangrijke problemen bij magnetische herverbinding in een paper dat op 7 december is gepubliceerd in de Brits tijdschrift Proceedings van de Royal Society A . Hun onderzoek richt zich op hoe de veldlijnen ingebed in plasma, de hete, geladen gas bestaande uit elektronen en atoomkernen - of ionen - die 99 procent van het zichtbare universum uitmaken, gedragen zoals ze doen. De bevindingen zijn relevant voor zowel astrofysica als magnetisch gecontroleerde fusie-experimenten, welke herverbinding kan worden afgesloten.

De uitgebreide, 30 pagina's papier, die het tijdschrift uitnodigde, bevordert het begrip van vier diepe en langdurige puzzels:

• Het tariefprobleem. Waarom vindt herverbinding veel sneller plaats dan de theorie aangeeft?
• Het triggerprobleem. Wat bepaalt de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen in een magnetisch veld en zorgt ervoor dat het vrijkomt?
• Het energetische probleem. Hoe zet herverbinding magnetische energie om in explosieve kinetische energie?
• Het samenspel van schalen probleem. Hoe zorgt herverbinding die op microschaal plaatsvindt voor explosies die op wereldschaal plaatsvinden?

Yamada en Zweibel, winnaars van de James Clerk Maxwell Prize in Plasma Physics in 2015 en 2016, respectievelijk, een integrale aanpak van deze problemen. De prijs, uitgereikt door de American Physical Society Division of Plasma Physics, eert hun bijdragen aan de dynamiek van herverbinding en aan plasmaastrofysica. Hun paper combineert gegevens die zijn verkregen uit satellietwaarnemingen en het Magnetic Reconnection Experiment (MRX) bij PPPL, samen met theorie en computersimulatie, om een ​​gedetailleerd beeld te geven van deze raadselachtige processen.

Over het tariefprobleem, de auteurs merken op dat er twee wegen naar snelle herverbinding zijn geïdentificeerd. In de eerste, snelle herverbinding vindt plaats wanneer gemagnetiseerde elektronen en gedemagnetiseerde ionen zich anders gedragen, veroorzaakt een fenomeen dat een Hall-effect wordt genoemd in de herverbindingslaag. In de seconde, een proces genaamd plasmoïde instabiliteit breekt dunne stroomlagen op in magnetische eilanden die een snelle herverbinding produceren (zie gerelateerd artikel hier.) "Het karakteriseren van de plasmoïde instabiliteit in een groot laboratoriumplasma is een doel voor toekomstig onderzoek, ’ schrijven de auteurs.

Er is ook veel werk te doen aan het triggerprobleem, Zweibel en Yamada merkten op. De vorming van een dunne stroomplaat wordt lange tijd beschouwd als een voorwaarde voor een snelle herverbinding, zij schrijven. Echter, verdeling van de energie die uitbarst in zonnevlammen "is een belangrijke observatie die trigger-theorieën moeten verklaren, "zeggen ze, en het identificeren van de machtswet achter de distributie "blijft een verre maar belangrijk doel." In machtswetten, de ene vorm van energie varieert als een kracht van een andere.

Wat betreft het energetisch probleem, er is recentelijk belangrijke vooruitgang geboekt, zeggen de auteurs. Experimenten uitgevoerd op de MRX bij PPPL laten zien dat heraansluiting ongeveer 50 procent van de magnetische energie omzet, waarbij een derde van de conversie de elektronen versnelt en tweederde de ionen in het plasma. "Deze resultaten roepen de vraag op of er een universeel principe is voor het verdelen van omgezette energie, een belangrijk probleem voor toekomstig onderzoek, " zij schrijven.

Een uitleg van het schaalprobleem, waarin minuscule microprocessen grote mondiale effecten veroorzaken, "blijft extreem uitdagend, ", stellen de auteurs. Niettemin, er is veel "belangrijke vooruitgang" geboekt. Hoewel de triggers voor herverbinding meestal globaal zijn, de bronnen van energieconversie kunnen zowel globaal als kleinschalig zijn. Daarom, "de aanwezigheid van een continuüm van schalen gekoppeld van microscopisch tot macroscopisch kan het meest waarschijnlijke pad zijn naar snelle herverbinding."

Vooruit gaan, de auteurs schrijven dat, "Vooruitzichten voor toekomstige vooruitgang hangen af ​​van aanhoudende succesvolle innovaties in methodologie. De combinatie van laboratoriumexperimenten, ruimteplasmametingen en numerieke simulaties blijken bijzonder succesvol te zijn." Dergelijke ontwikkelingen zullen ertoe leiden dat toekomstig onderzoek zich zal concentreren "op de gespecialiseerde kenmerken van natuurlijke plasma's in het hele universum."