science >> Wetenschap >  >> Fysica

Het ontdekken van een voorheen onbekende rol voor een bron van magnetische velden

Natuurkundigen Jackson Matteucci en Will Fox met poster waarop hun onderzoek te zien is. Krediet:Elle Starkman / PPPL Office of Communications

Magnetische krachten rimpelen door het universum, van de velden rondom planeten tot de gassen die sterrenstelsels vullen, en kan worden gelanceerd door een fenomeen dat het Biermann-batterij-effect wordt genoemd. Nu hebben wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) ontdekt dat dit fenomeen niet alleen magnetische velden kan genereren, maar kan ze verbreken om magnetische herverbinding teweeg te brengen - een opmerkelijke en verrassende ontdekking.

Het Biermann-batterij-effect, een mogelijk zaad voor de magnetische velden die ons universum doordringen, ontstaat in plasma's - de toestand van materie die bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen - wanneer de plasmatemperatuur en -dichtheid niet goed zijn uitgelijnd. De toppen van dergelijke plasma's kunnen heter zijn dan de bodems, en de dichtheid kan aan de linkerkant groter zijn dan aan de rechterkant. Deze verkeerde uitlijning geeft aanleiding tot een elektromotorische kracht die stroom genereert die leidt tot magnetische velden. Het proces is vernoemd naar Ludwig Biermann, een Duitse astrofysicus die het in 1950 ontdekte.

Geopenbaard door computersimulaties

De nieuwe bevindingen onthullen via computersimulaties een voorheen onbekende rol voor het Biermann-effect dat het begrip van herverbinding zou kunnen verbeteren - het uiteenvallen en gewelddadige herverbinding van magnetische veldlijnen in plasma's die aanleiding geven tot noorderlicht, zonnevlammen en geomagnetische ruimtestormen die de mobiele telefoonservice en elektriciteitsnetten op aarde kunnen verstoren.

De resultaten "bieden een nieuw platform voor het repliceren in het laboratorium van de herverbinding die is waargenomen in astrofysische plasma's, " zei Jackson Matteucci, een afgestudeerde student in het programma in plasmafysica bij PPPL en hoofdauteur van een beschrijving van het proces in Physical Review Letters. Co-auteurs van het artikel zijn onder meer zijn scriptieadviseurs, Will Fox van PPPL en Amitava Bhattacharjee, hoofd van de afdeling PPPL Theorie, en onderzoekers van andere laboratoria.

De simulaties modelleerden gepubliceerde resultaten van experimenten in China die plasma met hoge energiedichtheid (HED) bestudeerden - materie onder extreme druk zoals die in de kern van de aarde bestaat. de experimenten, waarin PPPL geen rol speelde, gebruikte lasers om een ​​paar plasmabellen van een massief metalen doelwit te schieten. Simulaties van het driedimensionale plasma volgden de uitzetting van de bellen en de magnetische velden die het Biermann-effect creëerde, en volgde de botsing van de velden om magnetische herverbinding te produceren.

De simulaties toonden aan dat de temperatuur piekte in de opnieuw verbindende veldlijnen en de rol van het Biermann-effect dat de lijnen veroorzaakte, omkeerde. Door de piek, het Biermann-effect vernietigde de magnetische veldlijnen die het had gecreëerd, ze knippen als een schaar die een elastiekje doorsnijdt. De gesneden velden werden vervolgens stroomafwaarts opnieuw verbonden, verwijderd van het oorspronkelijke herverbindingspunt. "Dit is de eerste simulatie die Biermann batterij-gemedieerde magnetische herverbinding laat zien, "Zei Matteucci. "Dit proces was nog nooit eerder bekend geweest."

Miljarden ionen en elektronen volgen

Het modelleren van de HED-experimenten vereiste het volgen van miljarden ionen en elektronen die met elkaar interageren en met de elektrische en magnetische velden die hun beweging creëerde, in zogenaamde 3D-kinetische simulaties. Onderzoekers voerden deze simulaties uit op de Titan-supercomputer bij de DOE Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) in het Oak Ridge National Laboratory.

De wetenschappers hebben sindsdien een Brits experiment gemodelleerd en werken aan simulaties van experimenten die zijn uitgevoerd in het Laboratory for Laser Energetics (LLE) aan de University of Rochester en de National Ignition Facility in het Lawrence Livermore National Laboratory.