Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben belangrijke voorwaarden ontdekt die aanleiding geven tot snelle magnetische herverbinding, het proces dat zonnevlammen veroorzaakt, aurora's, en geomagnetische stormen die signaaltransmissies en andere elektrische activiteiten kunnen verstoren, inclusief mobiele telefoonservice. Het proces vindt plaats wanneer de magnetische veldlijnen in plasma, de hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, uit elkaar gaan en gewelddadig opnieuw verbinden, het vrijgeven van enorme hoeveelheden energie. Dit gebeurt in dunne plasmavellen, huidige bladen genoemd, waarin elektrische stroom sterk geconcentreerd is.

Door gebruik te maken van computersimulaties, de bevindingen dragen bij aan een eerdere theorie van snelle herverbinding die wiskundig is ontwikkeld door natuurkundigen van PPPL en Princeton University. De nieuwe resultaten bevatten een voorspellend model dat een completere beschrijving geeft van de betrokken fysica.

De impact van herverbinding is overal in het universum voelbaar. Het proces kan enorme uitbarstingen van gammastraling veroorzaken waarvan wordt aangenomen dat ze verband houden met supernova-explosies en de vorming van ultradichte neutronensterren en zwarte gaten. "Een gammaflits in ons Melkwegstelsel, als je naar de aarde wijst, zou mogelijk een massale uitstervingsgebeurtenis kunnen veroorzaken, " zei PPPL-natuurkundige Yi-Min Huang, hoofdauteur van een paper waarin de bevindingen in Astrofysisch tijdschrift . "Duidelijk, het is belangrijk om te weten wanneer, hoe, en waarom magnetische herverbinding plaatsvindt."

Wetenschappers hebben waargenomen dat het opnieuw verbinden plotseling gebeurt, na een lange periode van rust door magnetische velden in stroomplaten. Wat zorgt er precies voor dat de magnetische velden scheiden en opnieuw verbinden, en waarom vindt de heraansluiting sneller plaats dan volgens de theorie zou moeten?

Met behulp van computersimulaties en theoretische analyse, de natuurkundigen hebben aangetoond dat een fenomeen dat de "plasmoïde instabiliteit" wordt genoemd, bellen in plasma creëert die kunnen leiden tot herverbinding wanneer aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan:

• Het plasma moet een hoog Lundquist-getal hebben, wat kenmerkt hoe goed het elektriciteit geleidt.
• Willekeurige fluctuaties in het magnetische veld van het plasma zorgen voor "zaadjes" waaruit de plasma-instabiliteit groeit.

Bij elkaar genomen, deze omstandigheden maken het mogelijk dat plasmoïde instabiliteiten aanleiding geven tot heraansluiting in stroomplaten. "Onze studie suggereert dat verstoring van het huidige blad veroorzaakt door de plasmoïde instabiliteit een trigger kan zijn, ' zei Huang.

De trigger breekt tweedimensionale elektrische stroomplaten in plasma op in bellen, of plasmoïden, en veel kleinere vellen. Het groeiend aantal vellen creëert meer mogelijkheden voor magnetische lijnen om uit elkaar te vallen en samen te voegen. Herverbinding vindt ook op meer dan één plaats plaats, waardoor de totale snelheid voor een heel systeem toeneemt.

Het kleinere formaat van de huidige bladen versnelt ook het opnieuw verbinden. Elektromagnetische krachten hebben de neiging om het plasma tussen platen voort te stuwen, het produceren van beweging die versnelt wanneer de vellen in kleinere breken. Het versnellende plasma brengt magnetische lijnen sneller bij elkaar en leidt tot snellere herverbindingssnelheden.

Huang en collega-fysici willen hun nieuwe model testen met experimentele machines met extra mogelijkheden. Hoewel een dergelijke machine momenteel niet bestaat, onderzoekers kijken uit naar een nieuwe unit die online komt.