Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben voor het eerst rechtstreeks een fenomeen waargenomen waarvan eerder alleen werd aangenomen dat het bestond. Het fenomeen, plasmoïde instabiliteiten die optreden tijdens botsingsmagnetische herverbinding, was tot dit jaar alleen indirect waargenomen met behulp van teledetectietechnologie. In een paper gepubliceerd in het augustusnummer van 2016 Fysieke beoordelingsbrieven , PPPL-natuurkundigen melden dat ze het fenomeen hebben gecreëerd in een laboratoriumomgeving waar ze het direct konden meten en het bestaan ​​ervan op de elektronenschaal konden bevestigen. die het bewegingsbereik van elektronen beschrijft en hoe snel ze bewegen. Dit onderzoek werd gefinancierd door zowel het DOE's Office of Science als de Heliophysics Division van NASA.

Plasmoïde instabiliteiten creëren magnetische bellen in plasma, superheet gas waarvan de atomen zijn gescheiden in elektronen en atoomkernen. De magnetische bellen zorgen dan voor een snelle magnetische herverbinding, wanneer de magnetische veldlijnen van een plasma uit elkaar vallen en weer samenkomen, vrijkomen van grote hoeveelheden energie. Voor nu, natuurkundigen van NASA en andere instellingen hadden het bestaan ​​van deze instabiliteiten alleen in botsingloze plasma's direct kunnen bevestigen, zoals die rond de aarde in de bovenste atmosfeer, waarin de plasmadeeltjes niet vaak botsen.

Wetenschappers waren niet in staat om het bestaan ​​van plasmoïde instabiliteiten in botsingsplasma's te bevestigen, waarin de deeltjes vaak botsen, omdat dergelijke plasma's in de ruimte voorkomen, ver van de aarde. Botsende plasma's zoals die op het oppervlak van sterren zijn zo ver weg dat wetenschappers moeite hebben ze direct te meten. Maar natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology en elders hadden hun bestaan ​​jaren geleden voorspeld.

Wetenschappers hebben verkregen, echter, indirect bewijs van plasmoïde instabiliteiten in de ruimte. Met behulp van telescopen en spectroscopen, evenals fusiefaciliteiten zoals het voormalige vlaggenschip van PPPL, bekend als het National Spherical Torus Experiment (NSTX), die sindsdien is geüpgraded, wetenschappers namen foto's en analyseerden licht dat hintte op het bestaan ​​van de instabiliteiten. Maar zonder directe metingen, ze konden niet bevestigen dat de instabiliteiten bestonden.

"Deze bevindingen zijn belangrijk omdat gegevens die zijn verzameld in eerdere magnetische herverbindingsexperimenten met botsingsloos plasma niet van toepassing zijn op de grote, botsingsplasma's gevonden in de ruimte, " zei Hantao Ji, een professor aan de afdeling Astrofysische Wetenschappen van Princeton University, voorname fellow bij PPPL, en co-auteur van het artikel. "Wetenschappers hebben lang moeite gehad met het bestuderen van deze plasma's omdat het moeilijk is om de noodzakelijke omstandigheden op aarde te creëren, en we kunnen niet zomaar sondes rechtstreeks in sterren steken. Nu hebben we een kijkje in hun werking."

Tijdens het onderzoek, hoofdauteur en afgestudeerde student Jonathan Jara-Almonte en het team gebruikten een PPPL-apparaat dat bekend staat als het Magnetic Reconnection Experiment (MRX). In tegenstelling tot eerdere experimenten, Jara-Almonte en zijn team gebruikten een plasma gemaakt van argonatomen, in plaats van waterstof, deuterium of helium. Met behulp van argon, ze vonden, stelden hen in staat om gemakkelijker voorwaarden te scheppen voor botsingsherverbinding in het plasma.

Naast het bevestigen van het bestaan ​​van plasmoïde instabiliteiten in botsingsplasma's die opnieuw worden verbonden, het onderzoek toonde aan dat er zelfs instabiliteiten kunnen ontstaan ​​als een plasma elektriciteit niet goed geleidt, een aandoening die bekend staat als het hebben van een laag Lundquist-getal waarvan wetenschappers dachten dat het de ontwikkeling van plasmoïden zou belemmeren. Dit was een verrassende bevinding, aangezien wetenschappers lang hebben voorspeld dat plasmoïden zich alleen zouden vormen als een plasma elektriciteit goed geleidt.

"Het grotere plaatje is dat deze resultaten enkele vragen oproepen over de theorie van plasmoïde-instabiliteit die nog niet zijn beantwoord, " zei Jara-Almonte. "De resultaten roepen vragen op over wat er werkelijk in andere systemen gebeurt."

Het MRX-experiment bevestigde ook dat plasmoïden de snelheid verhogen waarmee opnieuw verbinding wordt gemaakt - de eerste keer dat het effect is waargenomen in een botsingsomgeving. Begrijpen hoe snel opnieuw verbinding tot stand komt, is belangrijk omdat het de aarde op dramatische manieren kan beïnvloeden. Wanneer er opnieuw verbinding wordt gemaakt op het oppervlak van de zon, enorme klodders plasma schieten de ruimte in en kunnen botsen met het magnetische veld van de aarde, het creëren van geomagnetische stormen die communicatiesatellieten en elektriciteitsnetwerken bedreigen.