Een raadselachtig proces dat magnetische herverbinding wordt genoemd, veroorzaakt explosieve verschijnselen in het hele universum, waardoor zonnevlammen en ruimtestormen ontstaan ​​die mobiele telefoondiensten en elektriciteitsnetten kunnen uitschakelen. Nu hebben wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een routekaart uitgewerkt voor het ontwarren van een belangrijk aspect van deze puzzel die het inzicht in de werking van de kosmos zou kunnen verdiepen.

Reconnection zet de magnetische veldenergie om in deeltjesuitbarstingen in astrofysische plasma's door de magnetische veldlijnen uit elkaar te halen en explosief opnieuw te verbinden - een proces dat plaatsvindt in zogenaamde dissipatiegebieden die vaak enorm kleiner zijn dan de regio's die ze beïnvloeden.

Spannend magnetisch veld

"Plasma houdt niet van herverbinding", zegt Hantao Ji, een PPPL-natuurkundige en professor aan de Princeton University, die eerste auteur is van een paper waarin de routekaart wordt beschreven in Nature Reviews Physics . "Herverbinding vindt echter plaats wanneer het magnetische veld voldoende wordt benadrukt," zei hij.

"Dissipatieschalen zijn klein, terwijl astrofysische schalen erg groot zijn en zich miljoenen kilometers kunnen uitstrekken. Het vinden van een manier om deze schalen te overbruggen via een multischaalmechanisme is een sleutel tot het oplossen van de herverbindingspuzzel."

De routekaart schetst de rol van het ontwikkelen van technologieën met multischaalmogelijkheden, zoals de Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE), een onlangs geïnstalleerde samenwerkingsfaciliteit die wordt geüpgraded en facetten van magnetische herverbinding zal onderzoeken die nooit eerder toegankelijk waren voor laboratoriumexperimenten. Als aanvulling op deze experimenten zullen simulaties zijn op toekomstige exascale supercomputers die 10 keer sneller zullen zijn dan de huidige computers. "De hoop is dat FLARE en exascale computing hand in hand gaan", zei Ji.

De werktheorie die de PPPL-routekaart voorstelt, is dat meerdere plasmoïden, of magnetische eilanden, die voortkomen uit herverbinding langs lange plasmastroomplaten, het enorme scala aan schalen zouden kunnen overbruggen. Dergelijke plasmoïden zouden beter overeenkomen met het getroffen herverbindingsgebied, met laboratoriumexperimenten op meerdere schaal die gepland zijn om de eerste tests van deze theorie te leveren en om concurrerende hypothesen te evalueren.

"Exascale stelt ons in staat om meer geloofwaardige simulaties te doen op basis van high-fidelity FLARE-experimenten", zegt PPPL-natuurkundige Jongsoo Yoo, een co-auteur van het artikel. De grotere omvang en kracht van de nieuwe machine - de diameter zal twee keer zo groot zijn als die van het Magnetic Reconnection Experiment (MRX) ter grootte van een sportvoertuig, het langdurige laboratoriumexperiment van PPPL - en zal wetenschappers in staat stellen om herverbinding in de natuur natuurgetrouwer te repliceren .

"FLARE heeft toegang tot bredere astrofysische regimes dan MRX met meerdere herverbindingspunten en meet de veldgeometrie tijdens herverbinding", zegt William Daughton, een computationele wetenschapper bij Los Alamos National Laboratory en een co-auteur van het artikel. "Het begrijpen van deze fysica is belangrijk om te voorspellen hoe herverbinding verloopt bij zonnevlammen", zei hij.

Belangrijke uitdaging

Een belangrijke uitdaging voor de komende experimenten is het innoveren van nieuwe diagnostische systemen met hoge resolutie zonder beperkende aannames. Eenmaal ontwikkeld, zullen deze systemen FLARE in staat stellen voort te bouwen op satellietwaarnemingen zoals die zijn geproduceerd door de Magnetospheric Multiscale-missie, een vloot van vier ruimtevaartuigen die in 2015 werd gelanceerd om de herverbinding in de magnetosfeer, het magnetische veld dat de aarde omringt, te bestuderen.

"Vooruitgang in het begrijpen van meerschalige fysica hangt in het komende decennium in grote mate af van innovatie en efficiënte implementatie van dergelijke diagnostische systemen", aldus de krant. De nieuwe bevindingen gaan in op open vragen, waaronder:

• Hoe begint het opnieuw verbinden precies?

• Hoe worden explosieve plasmadeeltjes verwarmd en versneld?

• Welke rol speelt herverbinding in gerelateerde processen zoals turbulentie en ruimteschokken?

Over het algemeen:"Het artikel bevat plannen om de hele ruimtefysica- en astrofysica-gemeenschappen te voorzien van methoden om het multischaalprobleem op te lossen", zei Yoo. Een dergelijke oplossing zou een belangrijke stap betekenen in de richting van een vollediger begrip van magnetische herverbinding in grote systemen in het hele universum. + Verder verkennen

Nieuw inzicht in blobs verbetert begrip van universeel proces