Plasma's, gasachtige verzamelingen van ionen en elektronen, vormen naar schatting 99 procent van de zichtbare materie in het heelal, inclusief de zon, de sterren, en het gasvormige medium dat de ruimte ertussen doordringt. De meeste van deze plasma's, inclusief de zonnewind die constant uit de zon stroomt en door het zonnestelsel raast, bestaan ​​in een turbulente toestand. Hoe deze turbulentie werkt, blijft een mysterie; het is een van de meest dynamische onderzoeksgebieden in de plasmafysica.

Nutsvoorzieningen, twee onderzoekers hebben een nieuw model voorgesteld om deze dynamische turbulente processen te verklaren.

De bevindingen, door Nuno Loureiro, een universitair hoofddocent nucleaire wetenschap en techniek en natuurkunde aan het MIT, en Stanislav Boldyrev, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin in Madison, worden vandaag gerapporteerd in de Astrofysisch tijdschrift . De paper is de derde in een reeks dit jaar waarin de belangrijkste aspecten worden uitgelegd van hoe deze turbulente verzamelingen van geladen deeltjes zich gedragen.

"Natuurlijk voorkomende plasma's in de ruimte en astrofysische omgevingen worden geregen door magnetische velden en bestaan ​​in een turbulente toestand, " zegt Loureiro. "Dat wil zeggen, hun structuur is op alle schalen zeer ongeordend:als je inzoomt om steeds beter te kijken naar de slierten en wervelingen waaruit deze materialen bestaan, je zult vergelijkbare tekenen van een wanordelijke structuur zien op elk niveau." En hoewel turbulentie een veel voorkomend en veel bestudeerd fenomeen is dat voorkomt in allerlei soorten vloeistoffen, de turbulentie die optreedt in plasma's is moeilijker te voorspellen vanwege de toegevoegde factoren van elektrische stromen en magnetische velden.

"Gemagnetiseerde plasmaturbulentie is fascinerend complex en opmerkelijk uitdagend, " hij zegt.

Magnetische herverbinding is een gecompliceerd fenomeen dat Loureiro al meer dan tien jaar in detail bestudeert. Om het proces uit te leggen, hij geeft een goed bestudeerd voorbeeld:"Als je een video bekijkt van een zonnevlam" terwijl deze naar buiten buigt en vervolgens weer instort op het oppervlak van de zon, "Dat is magnetische herverbinding in actie. Het is iets dat gebeurt op het oppervlak van de zon dat leidt tot explosieve afgifte van energie." Loureiro's begrip van dit proces van magnetische herverbinding heeft de basis gelegd voor de nieuwe analyse die nu enkele aspecten van turbulentie in plasma's kan verklaren.

Loureiro en Boldyrev ontdekten dat magnetische herverbinding een cruciale rol moet spelen in de dynamiek van plasmaturbulentie, een inzicht waarvan ze zeggen dat het het begrip van de dynamiek en eigenschappen van ruimte en astrofysische plasma's fundamenteel verandert en "inderdaad een conceptuele verschuiving is in hoe men denkt over turbulentie, ' zegt Loureiro.

Bestaande hypothesen over de dynamiek van plasmaturbulentie "kunnen sommige aspecten van wat wordt waargenomen correct voorspellen, " hij zegt, maar ze 'leiden tot inconsistenties'.

Loureiro werkte samen met Boldyrev, een vooraanstaand theoreticus op het gebied van plasmaturbulentie, en de twee realiseerden zich dat "we dit kunnen oplossen door in wezen de bestaande theoretische beschrijvingen van turbulentie en magnetische herverbinding samen te voegen, " legt Loureiro uit. Als gevolg hiervan, "het beeld van turbulentie wordt conceptueel gewijzigd en leidt tot resultaten die beter overeenkomen met wat is waargenomen door satellieten die de zonnewind volgen, en veel numerieke simulaties."

Loureiro haast zich om toe te voegen dat deze resultaten niet bewijzen dat het model correct is, maar laat zien dat het consistent is met bestaande gegevens. “Verder onderzoek is zeker nodig, " zegt Loureiro. "De theorie maakt specifiek, toetsbare voorspellingen, maar deze zijn moeilijk te controleren met de huidige simulaties en observaties."

Hij voegt toe, "De theorie is vrij universeel, wat de mogelijkheden voor directe tests vergroot." er is enige hoop dat een nieuwe NASA-missie, de Parker zonnesonde, die gepland staat voor volgend jaar en de corona van de zon zal observeren (de hete ring van plasma rond de zon die alleen zichtbaar is vanaf de aarde tijdens een totale zonsverduistering), het benodigde bewijs zou kunnen leveren. Die sonde, Loureiro zegt, dichter bij de zon zal komen dan enig ander ruimtevaartuig, en het zou tot nu toe de meest nauwkeurige gegevens over turbulentie in de corona moeten opleveren.

Het is de moeite waard om deze informatie te verzamelen, Loureiro zegt:"Turbulentie speelt een cruciale rol in een verscheidenheid aan astrofysische verschijnselen, " inclusief de stromen van materie in de kern van planeten en sterren die magnetische velden genereren via een dynamo-effect, het transport van materiaal in accretieschijven rond massieve centrale objecten zoals zwarte gaten, de verwarming van stellaire coronae en winden (de gassen worden constant weggeblazen van de oppervlakken van sterren), en het genereren van structuren in het interstellaire medium dat de enorme ruimten tussen de sterren vult. "Een goed begrip van hoe turbulentie in een plasma werkt, is de sleutel tot het oplossen van deze al lang bestaande problemen. " hij zegt.

"Deze belangrijke studie vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de richting van een dieper fysiek begrip van gemagnetiseerde plasmaturbulentie, " zegt Dmitri Uzdensky, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Colorado, die niet bij dit werk betrokken was. "Door het ophelderen van diepe verbindingen en interacties tussen twee alomtegenwoordige en fundamentele plasmaprocessen - magnetohydrodynamische turbulentie en magnetische herverbinding - verandert deze analyse ons theoretische beeld van hoe de energie van turbulente plasmabewegingen van grote naar kleine schaal cascadeert."

Hij voegt toe, "Dit werk bouwt voort op een eerdere baanbrekende studie die eerder dit jaar door deze auteurs is gepubliceerd en breidt het uit naar een breder gebied van botsingsloze plasma's. Dit maakt de resulterende theorie direct toepasbaar op meer realistische plasma-omgevingen in de natuur. dit artikel leidt tot nieuwe prikkelende vragen over plasmaturbulentie en herverbinding en opent zo nieuwe onderzoeksrichtingen, vandaar het stimuleren van toekomstige onderzoeksinspanningen in ruimtefysica en plasmaastrofysica."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.