In juli 2012 een krachtige zonnestorm trof bijna de aarde. Wetenschappers schatten dat de storm, coronale massa-ejectie (CME) genoemd, de planeet raken, de impact zou de elektriciteitsnetten wereldwijd hebben verlamd, doorbranden van transformatoren en instrumenten.

Een NASA-sonde die toevallig in het pad van de CME lag, detecteerde enkele van de geladen deeltjes die het bevatte. Gegevens die de satelliet verzamelde, toonden aan dat de storm twee keer zo krachtig was als een gebeurtenis in 1989 die het hele elektriciteitsnet van Quebec uitschakelde. verstoorde de stroomvoorziening in de Verenigde Staten en maakte het noorderlicht zichtbaar tot ver in het zuiden als Cuba. In feite, de recente storm was misschien sterker dan de eerste en krachtigste CME waarvan bekend is dat hij de planeet trof, het Carrington-evenement. Die storm van 1859 spoot vonken van telegraaflijnen, telegraafstations in brand steken. Onderzoekers schatten de kans op een CME van Carrington-formaat in 2024 - en mogelijk de aarde - op 12 procent.

Dergelijke gebeurtenissen vinden plaats wanneer veldlijnen in het massieve magnetische systeem van de zon breken en opnieuw verbinden. "Magnetische velden zijn een reservoir van een enorme hoeveelheid energie, en er vinden grote uitbarstingen plaats waarbij deze energie vrijkomt, " zegt Amitava Bhattacharjee, een plasmafysicus bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), een Department of Energy-faciliteit in Princeton, New Jersey. "Geladen deeltjes hebben de neiging vast te komen te zitten aan magnetische veldlijnen zoals kralen op een draad - wanneer de draad breekt, de kralen worden met enorme snelheden weggegooid."

Het fenomeen, bekend als snelle magnetische herverbinding, blijft een mysterie. Niemand weet hoe veldlijnen snel genoeg breken en weer samenkomen om de miljarden tonnen materiaal te verdrijven die in een CME zijn losgelaten. of zelfs in de kleinere uitbarstingen van gewone zonnevlammen. In laboratoriumexperimenten en simulaties, Bhattacharjee en zijn collega's hebben nieuwe mechanismen onthuld die snelle magnetische herverbinding helpen verklaren.

Bhattacharjee streeft naar dergelijke mechanismen sinds de graduate school, toen hij zich realiseerde dat plasmafysica "een mooie, klassiek veld met prachtige vergelijkingen die goed waren om te analyseren en computersimulaties mee te doen, "zegt hij. Tegelijkertijd hij zag dat plasma's - die 99,5 procent van het zichtbare universum uitmaken - ook de sleutel zijn tot "een zeer praktisch en belangrijk probleem voor de mensheid, namelijk magnetische fusie-energie."

Al decenia, kernfusiemachines, zoals donutvormige tokamaks, hebben een vrijwel onbeperkte levering van relatief schone energie beloofd. Maar een werkend fusieapparaat is nog steeds buiten bereik, mede door snelle magnetische herverbinding. "Magnetische fusiereactoren bevatten magnetische velden, en deze magnetische velden kunnen ook opnieuw verbinding maken en verstorende instabiliteiten veroorzaken in een tokamak-fusieplasma, " zegt Bhattacharjee, hoogleraar astrofysische wetenschappen aan Princeton University en hoofd van PPPL's ​​Theory and Computation Division.

In het huidige model van heraansluiting, tegengestelde magnetische velden worden samengedrukt door een externe kracht, zoals plasmastromen. een dunne, vlakke contactgebiedvormen tussen de twee velden, spanning opbouwen in de veldlijnen. In dit dunne gebied, een huidig ​​blad genoemd, plasmadeeltjes – ionen en elektronen – botsen met elkaar, veldlijnen breken en ze nieuwe laten vormen, verbindingen met lagere energie met partners van het tegengestelde magnetische veld. Maar volgens dit model de lijnen verbinden zich slechts zo snel als ze in het huidige blad worden geduwd - lang niet snel genoeg om de enorme uitstorting van energie en deeltjes te verklaren bij een snelle herverbindingsgebeurtenis.

Aangezien dit langzame herverbindingsmodel afhankelijk is van botsingen met plasmadeeltjes, veel onderzoeksgroepen hebben gezocht naar botsingsloze effecten die een snelle herverbinding kunnen verklaren. Veelbelovende verklaringen richten zich op het gedrag van geladen deeltjes in het huidige blad, waar de veldsterkte bijna nul is. Daar, de geladen eigenschappen van de massieve, trage ionen worden onderdrukt, en de wendbare elektronen zijn vrij om de stroom- en zweepveldlijnen naar nieuwe configuraties te dragen.

Voor laboratoriumexperimenten op verborgen mechanismen, Het team van Bhattacharjee gebruikt krachtige lasers in de Omega-faciliteit van de Universiteit van Rochester. Om computermodellen te ontwikkelen, de groep gebruikt Titan, een Cray XK7-supercomputer bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, via het Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) -programma van het Office of Science. Het Fusion Energy Sciences-programma van het Office of Science en de DOE National Nuclear Security Administration sponsoren de experimenten.

In een vroeg experiment onder leiding van PPPL-onderzoeksfysicus Will Fox, het team richtte twee intense Omega-lasers op materialen die plasmabellen onder de stralen opleveren. Elke bel wekte spontaan zijn eigen magnetisch veld op door een effect dat bekend staat als de Biermann-batterij. Zoals gebeurt in de zon en kernfusie-apparaten, geladen plasmadeeltjes opgesteld op de magnetische veldlijnen. De bellen in elkaar geploegd, en een huidig ​​blad gevormd tussen hen. De herverbindingssnelheid tussen de velden was snel - te snel voor de klassieke theorie.

"Daar waren we voor het eerst bezig met het vaststellen van het onderliggende mechanisme voor het opnieuw verbinden in deze machine, " zegt Bhattacharjee. Het team had nu een model voor snelle magnetische herverbinding, een die van toepassing is op eerdere baanbrekende experimenten die zijn uitgevoerd door groepen in het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten. Een simulatie op Titan toonde aan dat er meer veldlijnen op elkaar gepropt waren in het huidige blad dan iemand zich had gerealiseerd, een fenomeen genaamd flux pileup. De studie toonde aan dat, naast eerder gesuggereerde botsingsloze effecten, flux pileup speelt een rol bij snelle herverbinding.

In latere experimenten onder leiding van Gennady Fiksel, nu aan de Universiteit van Michigan, het team wilde niet alleen vertrouwen op spontaan gegenereerde magnetische velden. "We vonden dat we meer controle nodig hadden over de magnetische velden die we gebruikten voor het herverbindingsproces, " zegt Bhattacharjee. "En dus gebruikten we een externe generator genaamd MIFEDS (magneto-inertial fusion elektrisch ontladingssysteem), die externe magnetische velden produceerden die we konden beheersen."

Om wijzigingen in dit veld vast te leggen, het team vulde de ruimte met een dun plasma op de achtergrond, gegenereerd door een derde laser, en beeldde het af met behulp van een bundel protonen, welke magnetische velden afbuigen. Toen twee plasmabellen op het externe magnetische veld botsten, het team creëerde tot nu toe het duidelijkste beeld van gebeurtenissen die plaatsvinden in de regio waar veldlijnen opnieuw aansluiten. De nieuwe configuratie toonde ook fluxophoping, gevolgd door een herverbindingsgebeurtenis met kleine plasmabellen die zich vormden in het gebied tussen de bellen en, Tenslotte, abrupte vernietiging van het magnetische veld.

"Het mechanisme dat we hebben gevonden, is dat je deze dunne stroomplaat vormt die dan onstabiel kan zijn, in wat we een plasmoïde instabiliteit noemen die deze dunne stroomplaat opbreekt in kleine magnetische belletjes, " zegt Bhattacharjee. "De plasmoïde instabiliteit is een nieuw mechanisme voor het begin van snelle herverbinding, wat gebeurt op een tijdschaal die onafhankelijk is van de weerstand van het plasma."

Bhattacharjee en zijn collega's proberen te begrijpen hoe hun ontdekking past in het grote plaatje van zonneactiviteit, zonnestormen en kernfusie-apparaten. Zodra zij en de bredere gemeenschap van plasmafysici herverbinding volledig begrijpen, het vermogen om CME's te voorspellen en enkele van de plasma-instabiliteiten in tokamak-reactoren te temmen, bijvoorbeeld, binnen handbereik kan zijn.