Snelle magnetische herverbinding, de snelle convergentie, scheiding en explosief samenklikken van magnetische veldlijnen, geeft aanleiding tot noorderlicht, zonnevlammen en geomagnetische stormen die mobiele telefoondiensten en elektriciteitsnetten kunnen verstoren. Het fenomeen vindt plaats in plasma, de toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, of ionen, dat maakt 99 procent uit van het zichtbare heelal. Maar of een snelle herverbinding kan plaatsvinden in gedeeltelijk geïoniseerd plasma - plasma dat zowel atomen als vrije elektronen en ionen omvat - is niet goed begrepen.

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nu het eerste volledig kinetische model van het gedrag van plasmadeeltjes geproduceerd en ontdekten dat snelle herverbinding inderdaad kan plaatsvinden in gedeeltelijk geïoniseerde systemen. Kinetische modellen simuleren de verdeling en snelheid van miljarden deeltjes, vergeleken met vloeistofmodellen die plasma behandelen als een continu medium in plaats van als een verzameling individuele deeltjes.

"Er is een hele klasse van gedeeltelijk geïoniseerde plasma's waarvan de link met herverbinding niet goed is bestudeerd, " zei natuurkundige Jonathan Jara-Almonte, hoofdauteur van een paper in Fysieke beoordelingsbrieven die de recente bevindingen rapporteert. "We hebben nu aangetoond dat snelle herverbinding kan plaatsvinden in gedeeltelijk geïoniseerde systemen."

Bijvoorbeeld, het onderzoek suggereert dat snelle herverbinding in het gedeeltelijk geïoniseerde plasma in de zonnechromosfeer, het gebied tussen het oppervlak van de zon en de halo-achtige zonnecorona, een rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van jetstreams. Dergelijke stromen zijn een mogelijke bron van de zonnewind die heet weerkaatst, geladen plasma van het aardmagnetisch veld.

Belangrijke implicaties

Snelle herverbinding in gedeeltelijk geïoniseerd plasma heeft belangrijke implicaties voor het interstellaire medium, de enorme wolken van gas en stof die de kosmos tussen de sterren vullen. De kou, dichte gebieden van het interstellaire medium waar sterren worden gevormd, zijn slechts zeer slecht geïoniseerd, en snelle herverbinding binnen deze regio's kan helpen bij het verwijderen van magnetische velden die stervorming voorkomen.

Begrijpen wanneer en waar snelle herverbinding plaatsvindt, blijft een onopgelost probleem, en eerdere analytische voorspellingen voor gedeeltelijk geïoniseerde plasma's waren gebaseerd op extrapolatie van volledig geïoniseerde plasma's. De nieuwe simulaties, uitgevoerd op computers aan de Princeton University, toonde aan dat de overgang naar snelle herverbinding alleen plaatsvindt als de huidige plaat veel dunner is dan voorspeld. De resultaten suggereren dat het transport van plasma en warmte anders is in gedeeltelijk geïoniseerde plasma's en kan veranderen hoe en wanneer herverbinding plaatsvindt.

Deze bevindingen richten zich op heraansluiting op zeer kleine schaal, in tegenstelling tot het proces dat plaatsvindt in de zonnechromosfeer. Niettemin, de simulatie bleek compatibel met herverbinding in de bovenste chromosfeer en in kleinschalige laboratoriumexperimenten.

Vooruit gaan, Jara-Almonte is van plan de bevindingen van de kinetische simulatie te vergelijken met die van vloeistofsimulaties die eerdere modellering van gedeeltelijk geïoniseerde plasma's hebben gedomineerd. Co-auteur van het recente artikel waren PPPL-natuurkundigen Hantao Ji, hoogleraar astrofysische wetenschappen aan Princeton University; Masaaki Yamada, hoofdonderzoeker van het Magnetic Reconnection Experiment (MRX) bij PPPL; en Wil Vos, samen met Bill Daughton van Los Alamos National Laboratory.