Wanneer magnetische veldlijnen van tegengestelde richtingen samenvloeien, creëren ze explosies die enorme hoeveelheden energie kunnen vrijgeven. Op de zon veroorzaakt het samensmelten van tegengestelde veldlijnen zonnevlammen en coronale massa-ejecties, gigantische uitbarstingen van energie die binnen een dag naar de aarde kunnen reizen.

Hoewel de algemene mechanica van magnetische herverbinding bekend is, hebben onderzoekers meer dan een halve eeuw geworsteld om de precieze fysica achter de snelle energieafgifte die plaatsvindt te verklaren.

Een nieuwe Dartmouth-studie gepubliceerd in Communications Physics geeft de eerste theoretische beschrijving van hoe een fenomeen dat bekend staat als het "Hall-effect" de efficiëntie van magnetische herverbinding bepaalt.

"De snelheid waarmee magnetische veldlijnen opnieuw verbinding maken, is van extreem belang voor processen in de ruimte die de aarde kunnen beïnvloeden", zegt Yi-Hsin Liu, een assistent-professor natuurkunde en astronomie in Dartmouth. "Na tientallen jaren van inspanning hebben we nu een volledige theorie om dit al lang bestaande probleem aan te pakken."

Magnetische herverbinding bestaat overal in de natuur in plasma's, de vierde toestand van materie die het grootste deel van het zichtbare universum vult. Herverbinding vindt plaats wanneer magnetische veldlijnen in tegengestelde richtingen naar elkaar toe worden getrokken, uiteenvallen, weer samenkomen en dan met geweld wegklikken.

In het geval van magnetische herverbinding, dwingt het knappen van magnetische lijnen gemagnetiseerd plasma met hoge snelheden naar buiten. De energie wordt gecreëerd en verplaatst naar plasma's door een spanningskracht zoals die welke objecten uit katapulten werpt.

De studie van Dartmouth richt zich op het probleem van de herverbindingssnelheid, het belangrijkste onderdeel van magnetische herverbinding dat de snelheid beschrijft van de actie waarin magnetische lijnen samenkomen en uit elkaar trekken.

Uit eerder onderzoek bleek dat het Hall-effect - de interactie tussen elektrische stromen en de magnetische velden eromheen - de voorwaarden schept voor snelle magnetische herverbinding. Maar tot nu toe waren onderzoekers niet in staat om de details uit te leggen van hoe het Hall-effect de herverbindingssnelheid precies verbetert.

De theoretische studie van Dartmouth toont aan dat het Hall-effect de omzetting van energie van het magnetische veld naar plasmadeeltjes onderdrukt. Dit beperkt de hoeveelheid druk op het punt waar ze samenkomen, waardoor de magnetische veldlijnen worden gedwongen te buigen en te knijpen, wat resulteert in een open uitstroomgeometrie die nodig is om het herverbindingsproces te versnellen.

"Deze theorie behandelt de belangrijke puzzel van waarom en hoe het Hall-effect de herverbinding zo snel maakt", zegt Liu, die dienst doet als plaatsvervangend leider van het theorie- en modelleringsteam voor NASA's Magnetospheric Multiscale Mission (MMS). "Met dit onderzoek hebben we ook het explosieve magnetische energieafgifteproces uitgelegd dat fundamenteel en alomtegenwoordig is in natuurlijke plasma's."

De nieuwe theorie zou het technische begrip van zonnevlammen en coronale massa-ejecties die ruimteweer en elektrische storingen op aarde veroorzaken, kunnen vergroten. Naast het gebruik van de herverbindingssnelheid om de tijdschalen van zonnevlammen te schatten, kan het ook worden gebruikt om de intensiteit van geomagnetische substormen en de interactie tussen de zonnewind en de magnetosfeer van de aarde te bepalen.

Het onderzoeksteam werkt samen met NASA's Magnetospheric Multiscale Mission om magnetische herverbinding in de natuur te analyseren. Gegevens van vier satellieten die in dichte formatie rond de magnetosfeer van de aarde vliegen als onderdeel van de NASA-missie zullen worden gebruikt om de theoretische bevinding van Dartmouth te valideren.

"Dit werk toont aan dat fundamentele theoretische inzichten, versterkt door modelleringscapaciteiten, wetenschappelijke ontdekkingen kunnen bevorderen", zegt Vyacheslav Lukin, programmadirecteur voor plasmafysica bij NSF. "De technologische en maatschappelijke implicaties van deze resultaten zijn intrigerend omdat ze kunnen helpen bij het voorspellen van de impact van ruimteweer op het elektriciteitsnet, het ontwikkelen van nieuwe energiebronnen en het verkennen van nieuwe ruimtevaarttechnologieën."

De nieuwe studie kan ook bijdragen aan herverbindingsstudies in magnetisch opgesloten fusie-apparaten en astrofysische plasma's in de buurt van neutronensterren en zwarte gaten. Hoewel er momenteel geen toegepast gebruik is, hebben sommige onderzoekers de mogelijkheid overwogen om magnetische herverbinding te gebruiken in stuwraketten van ruimtevaartuigen. + Verder verkennen

Een routekaart voor een beter begrip van een raadselachtig universeel proces