Introduktion
Under flygtige anfald kaster solen af og til en kolossal mængde energi ud i rummet. Kaldet soludbrud, disse udbrud varer kun få minutter, og de kan udløse katastrofale strømafbrydelser og blændende nordlys på Jorden. Men vores førende matematiske teorier om, hvordan disse flare virker, formår ikke at forudsige styrken og hastigheden af det, vi observerer.
Kernen i disse udbrud er en mekanisme, der omdanner magnetisk energi til kraftige eksplosioner af lys og partikler. Denne transformation katalyseres af en proces kaldet magnetisk genforbindelse, hvor kolliderende magnetiske felter brydes og øjeblikkeligt genjusterer, og slynger materiale ind i kosmos. Ud over at drive soludbrud kan gentilslutning forsyne den hurtige, højenergipartikler udstødt af eksploderende stjerner, gløden af jetfly fra festende sorte huller, og konstant vind blæst af solen.
På trods af fænomenets allestedsnærværende har videnskabsmænd kæmpet for at forstå, hvordan det fungerer så effektivt. EN nyere teori foreslår, at når det kommer til at løse mysterierne om magnetisk genforbindelse, spiller lillebitte fysik en stor rolle. Det forklarer især, hvorfor nogle genforbindelsesbegivenheder er så forbløffende hurtige - og hvorfor de stærkeste ser ud til at forekomme med en karakteristisk hastighed. Forståelse af de mikrofysiske detaljer om genforbindelse kan hjælpe forskere med at bygge bedre modeller af disse energiske udbrud og give mening om kosmiske raserianfald.
"Indtil videre er dette den bedste teori, jeg kan se," sagde Hantao Ji, en plasmafysiker ved Princeton University, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Det er en stor præstation."
Famling med væsker
Næsten alt kendt stof i universet eksisterer i form af plasma, en brændende suppe af gas, hvor infernalske temperaturer har strippet atomer ned til ladede partikler. Når de lyner rundt, genererer disse partikler magnetiske felter, som derefter styrer partiklernes bevægelser. Denne kaotiske interaktion sammensætter et forvrænget rod af magnetfeltlinjer, der ligesom gummibånd lagrer mere og mere energi, efterhånden som de strækkes og snoes.
I 1950'erne foreslog videnskabsmænd en forklaring på, hvordan plasmaer udstøder deres indelukkede energi, en proces, der kom til at blive kaldt magnetisk genforbindelse. Når magnetfeltlinjer, der peger i modsatte retninger, kolliderer, kan de snappe og krydsforbinde og affyre partikler som en dobbeltsidet slangebøsse.
Men denne idé var tættere på et abstrakt maleri end en komplet matematisk model. Forskere ønskede at forstå detaljerne i, hvordan processen fungerer - de begivenheder, der påvirker snappingen, grunden til, at så meget energi frigives. Men det rodede samspil mellem varm gas, ladede partikler og magnetiske felter er svært at tæmme matematisk.
Den første kvantitative teori, beskrevet i 1957 af astrofysikerne Peter Sweet og Eugene Parker, behandler plasmaer som magnetiserede væsker. Det tyder på, at kollisioner af modsat ladede partikler trækker magnetiske feltlinjer ind og sætter gang i en løbsk kæde af genforbindelsesbegivenheder. Deres teori forudsiger også, at denne proces sker med en bestemt hastighed. Genforbindelseshastighederne observeret i relativt svage, laboratoriesmedede plasmaer matcher deres forudsigelse, ligesom hastighederne for mindre jetfly i de nederste lag af solens atmosfære.
Men soludbrud frigiver energi meget hurtigere, end Sweet og Parkers teori kan forklare. Ifølge deres beregninger skulle disse opblussen udfolde sig over måneder i stedet for minutter.
Senere observationer fra NASA's magnetosfæriske satellitter identificeret denne hurtigere genforbindelse, der sker endnu tættere på hjemmet, i Jordens eget magnetfelt. Disse observationer, sammen med beviser fra årtiers computersimuleringer, bekræfter denne "hurtige" genforbindelseshastighed: I mere energifyldte plasmaer sker genforbindelse ved omkring 10 % af den hastighed, hvormed magnetfelter forplanter sig - størrelsesordener hurtigere end Sweet og Parkers teori forudsiger .
De 10 % genforbindelsesraten er observeret så universelt, at mange videnskabsmænd betragter det som "Guds givne tal," sagde Alisa Galishnikova, en forsker ved Princeton. Men at påkalde det guddommelige forklarer ikke meget, hvad der gør genforbindelsen så hurtig.
Guds nummer
I 1990'erne vendte fysikere sig væk fra at behandle plasmaer som væsker, hvilket havde vist sig at være for forenklet. Zoomet ind består en magnetiseret suppe virkelig af individuelle partikler. Og hvordan disse partikler interagerer med hinanden, gør en afgørende forskel.
"Når du kommer til mikroskalaen, begynder væskebeskrivelsen at bryde sammen," sagde Amitava Bhattacharjee, en plasmafysiker ved Princeton. "Det [mikrofysiske] billede har ting i sig, som det flydende billede aldrig kan fange."
I de sidste to årtier har fysikere haft mistanke om, at et elektromagnetisk fænomen kendt som Hall-effekten kan rumme hemmeligheden bag hurtig genforbindelse: Negativt ladede elektroner og positivt ladede ioner har forskellige masser, så de bevæger sig langs magnetiske feltlinjer med forskellige hastigheder. Denne hastighedsforskel genererer en spænding mellem de adskilte ladninger.
I 2001, Bhattacharjee og hans kolleger viste at kun modeller, der inkluderede Hall-effekten, gav passende hurtige genforbindelseshastigheder. Men præcis hvordan den spænding producerede de magiske 10 % forblev et mysterium. "Det viste os ikke 'hvordan' og 'hvorfor'," sagde Yi-Hsin Liu, en plasmafysiker ved Dartmouth College.
Introduktion
Nu, i to nyligt offentliggjorte teoretiske artikler, har Liu og kolleger forsøgt at udfylde detaljerne.
første papir, udgivet i Kommunikationsfysik, beskriver hvordan spændingen inducerer et magnetfelt, der trækker elektroner væk fra midten af de to kolliderende magnetiske områder. Denne omdirigering frembringer et vakuum, der suger nye feltlinjer ind og klemmer dem i midten, hvilket tillader den magnetiske slangebøsse at dannes hurtigere.
"Det billede blev savnet ... [men] det stirrede på os i ansigtet," sagde Jim Drake, en plasmafysiker ved University of Maryland. "Dette er det første overbevisende argument, jeg nogensinde har set."
I andet papir, udgivet i Physical Review Letters, beskriver Liu og hans undergraduate forskningsassistent Matthew Goodbred, hvordan den samme vakuumeffekt opstår i ekstreme plasmaer, der indeholder forskellige ingredienser. Omkring sorte huller menes plasmaer for eksempel at bestå af elektroner og lige så massive positroner, så Hall-effekten gælder ikke længere. Alligevel "magisk nok fungerer genforbindelse stadig på lignende måde," sagde Liu. Forskerne foreslår, at inden for disse stærkere magnetiske felter bruges det meste af energien på at accelerere partikler i stedet for at opvarme dem - igen skabe en trykudtømning, der giver den guddommelige 10% rate.
"Det er en vigtig milepæl teoretisk," sagde Lorenzo Sironi, en teoretisk astrofysiker ved Columbia University, der arbejder på computersimuleringer af højenergiplasmastråler. "Dette giver os selvtillid ... at det, vi ser i vores simuleringer, ikke er vanvittigt."
Udplukning af partikler
Forskere kan ikke modellere hver enkelt partikel i storskala plasmasimuleringer. At gøre det ville producere milliarder af terabyte data og tage hundreder af år at færdiggøre, selv ved at bruge de mest avancerede supercomputere. Men forskere har for nylig fundet ud af, hvordan man behandler et så uhåndterligt system som et mindre, mere håndterbart sæt partikler.
For at undersøge vigtigheden af at overveje individuelle partikler sammenlignede Galishnikova og kolleger to simuleringer af et tiltagende sort hul - den ene behandlede plasmaet som en homogen væske, og den anden kastede omkring en milliard partikler ind i blandingen. Deres resultater, udgivet i marts i Physical Review Letters, viser, at inkorporering af mikrofysikken fører til tydeligt forskellige billeder af et sort huls blusser, partikelaccelerationer og variationer i lysstyrke.
Nu håber videnskabsmænd, at teoretiske fremskridt som Lius vil føre til modeller for magnetisk genforbindelse, der mere præcist afspejler naturen. Men mens hans teori sigter mod at løse problemet med genforbindelseshastighed, forklarer den ikke, hvorfor nogle feltlinjer kolliderer og udløser genforbindelse, men ikke andre. Den beskriver heller ikke, hvordan den udstrømmende energi opdeles i stråler, varme og kosmiske stråler - eller hvordan noget af dette fungerer i tre dimensioner og i større skalaer. Alligevel viser Lius arbejde, hvordan magnetisk genforbindelse under de rette omstændigheder kan være effektiv nok til at drive flygtige, men voldsomme himmelske udbrud.
"Du er nødt til at besvare spørgsmålet 'hvorfor' - det er en afgørende del af at komme videre med videnskaben," sagde Drake. "At have tillid til, at vi forstår mekanismen, giver os en meget bedre evne til at prøve at finde ud af, hvad der foregår."
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
- Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
- Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
- Kilde: https://www.quantamagazine.org/the-tiny-physics-behind-immense-cosmic-eruptions-20230515/
- :har
- :er
- :ikke
- :hvor
- ][s
- $OP
- 2001
- a
- evne
- ABSTRACT
- accelererende
- Konto
- præcist
- præstation
- Desuden
- fremskreden
- fremskridt
- igen
- målsætninger
- Alle
- tillade
- sammen
- også
- beløb
- an
- ,
- En anden
- besvare
- enhver
- passende
- ER
- argument
- omkring
- AS
- Assistant
- At
- Atmosfære
- forsøgt
- væk
- BE
- bag
- BEDSTE
- Bedre
- mellem
- Big
- Billion
- milliarder
- Sort
- Black Hole
- sorte huller
- Pause
- Breaking
- bygge
- men
- by
- beregninger
- kaldet
- kom
- CAN
- fange
- katastrofale
- center
- kæde
- karakteristisk
- opladet
- afgifter
- omstændigheder
- tættere
- kolleger
- Kollegium
- Kollidere
- COLUMBIA
- kommer
- sammenlignet
- fuldføre
- computer
- tillid
- Bekræfte
- Overvej
- Overvejer
- Kosmiske stråler
- kosmos
- kunne
- skøre
- Oprettelse af
- afgørende
- data
- årtier
- beskrive
- beskrevet
- beskrivelse
- detaljer
- DID
- forskel
- forskellige
- størrelse
- Diversion
- do
- gør
- Er ikke
- gør
- ned
- tegne
- trækker
- køre
- hver
- jorden
- effekt
- effektiv
- effektivt
- elektroner
- fremgår
- energi
- nok
- lige
- Endog
- begivenheder
- NOGENSINDE
- bevismateriale
- eksempel
- eksisterer
- Forklar
- Forklarer
- forklaring
- ekstrem
- Ansigtet
- FAIL
- langt
- FAST
- hurtigere
- felt
- Fields
- Figur
- regnede
- udfylde
- Fornavn
- væske
- Til
- formular
- Videresend
- fra
- GAS
- generere
- genererer
- få
- given
- giver
- gå
- vejlede
- havde
- Hall
- Happening
- Have
- Hjerte
- hjælpe
- hans
- hold
- Hole
- Huller
- Home
- håber
- HOT
- Hvordan
- How To
- HTML
- http
- HTTPS
- Hundreder
- i
- idé
- identificeret
- enorme
- betydning
- in
- medtaget
- inkorporering
- individuel
- indflydelse
- øjeblikkeligt
- interagere
- interaktion
- ind
- undersøge
- involverede
- IT
- Jets
- kendt
- storstilet
- større
- Efternavn
- lancering
- lag
- føre
- førende
- Leads
- lys
- ligesom
- linjer
- lidt
- længere
- lavere
- lavet
- magasin
- Magnetfelt
- magnetisk genforbindelse
- større
- lave
- maerker
- Making
- mange
- Marts
- Maryland
- masserne
- massive
- Match
- materiale
- matematiske
- matematisk
- Matter
- matthew
- Kan..
- mekanisme
- blotte
- måske
- milepæl
- minutter
- model
- modeller
- måned
- mere
- mest
- bevægelser
- flytning
- meget
- Mystery
- Nasa
- Natur
- negativt
- aldrig
- Ny
- ingen
- nummer
- observere
- of
- off
- on
- ONE
- kun
- modsat
- or
- ordrer
- Andet
- Andre
- vores
- ud
- i løbet af
- egen
- maleri
- papirer
- del
- særlig
- forbi
- Peter
- fænomen
- PHP
- Fysik
- billede
- Billeder
- Plasma
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- spiller
- magt
- vigtigste
- strømforsyning
- præcist
- forudsige
- forudsigelse
- forudser
- tryk
- Problem
- behandle
- producere
- produceret
- foreslå
- foreslog
- foreslår
- offentliggjort
- Quantamagazin
- kvantitativ
- spørgsmål
- hurtigt
- Sats
- priser
- hellere
- virkelig
- grund
- for nylig
- genforbindelse
- afspejler
- regioner
- relativt
- frigive
- forblevet
- forskning
- forsker
- forskere
- gennemgå
- højre
- roller
- groft
- Said
- samme
- skalaer
- Videnskab
- forskere
- Secret
- se
- se
- synes
- set
- forstand
- sæt
- bilægge
- bør
- Vis
- Shows
- lignende
- mindre
- Snap
- So
- sol
- Løsning
- nogle
- Space
- hastighed
- hastigheder
- brugt
- Stjerner
- starter
- Stadig
- butik
- styrke
- stærkere
- Studere
- sådan
- foreslår
- Sol
- sød
- systemet
- Tag
- end
- at
- deres
- Them
- derefter
- teoretisk
- teori
- Disse
- de
- ting
- denne
- dem
- tænkte
- tre
- til
- også
- Transformation
- rejse
- behandle
- behandling
- udløse
- prøv
- Drejede
- to
- under
- forstå
- forståelse
- Universe
- universitet
- us
- ved brug af
- Vacuum
- Spænding
- ønskede
- var
- Vej..
- we
- WebP
- Hvad
- hvornår
- som
- mens
- WHO
- hvorfor
- vilje
- med
- inden for
- Arbejde
- arbejder
- virker
- ville
- år
- endnu
- gav efter
- udbytter
- Du
- zephyrnet
- Zip