Magnetohydrodynamische Turbulenzen regulieren in vielen astrophysikalischen Systemen, einschließlich der Sonnenatmosphäre, die Energieübertragung vom großen zum kleinen Maßstab. Seit über einem halben Jahrhundert ist man allgemein davon überzeugt, dass die Energiekaskade in turbulenten Plasmen wie der Sonnenatmosphäre durch MHD-Wellenwechselwirkungen gesteuert wird.
In einer neuen Studie haben Wissenschaftler des US-Energieministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hat einen zuvor verborgenen Erwärmungsprozess aufgedeckt, der erklärt, wie die „Sonnenkorona“ erheblich heißer sein kann als die Sonnenoberfläche das strahlt es aus.
Durch den Einsatz von 200 Millionen Stunden Computerzeit für die größte Simulation dieser Art aller Zeiten konnten Wissenschaftler den Prozess aufdecken. Ihre direkte numerische Simulation ist die erste, die diesen Erwärmungsmechanismus im 3D-Raum identifiziert.
Chuanfei Dong, ein Physiker an der PPPL und der Princeton University, sagte: „Aktuelle Teleskop- und Raumfahrzeuginstrumente verfügen möglicherweise nicht über eine ausreichend hohe Auflösung, um den in kleinen Maßstäben ablaufenden Prozess zu identifizieren.“
Der als magnetische Wiederverbindung bekannte Prozess, der Magnetfelder im Plasma – der Suppe aus Elektronen und Atomkernen, aus der die Sonnenatmosphäre besteht – gewaltsam spaltet und wieder vereint, ist die geheime Zutat. Es wurde durch Dongs Modellierung demonstriert, wie schnell die magnetisches Feld Die Linien wurden wieder verbunden und wandelten die chaotische Energie im großen Maßstab in innere Energie im kleinen Maßstab um. Aufgrund dieser effizienten Umwandlung turbulenter Energie in thermische Energie in winzigen Maßstäben ist die Krone wird effektiv erhitzt.
Dong sagte: „Denken Sie daran, Sahne in den Kaffee zu geben. Die Sahnetropfen werden bald zu Wirbeln und dünnen Locken. In ähnlicher Weise bilden Magnetfelder dünne Schichten elektrischen Stroms, die aufgrund der magnetischen Wiederverbindung aufbrechen. Dieser Prozess erleichtert die Energiekaskade vom großen zum kleinen Maßstab und macht den Prozess effizienter turbulente Sonnenkorona als bisher gedacht.“
„Wenn der Wiederverbindungsprozess langsam ist, während die turbulente Kaskade schnell ist, kann die Wiederverbindung die Energieübertragung über Skalen hinweg nicht beeinflussen. Aber wenn die Wiederverbindungsrate schnell genug wird, um die traditionelle Kaskadenrate zu überschreiten, kann die Wiederverbindung die Kaskade effizienter in Richtung kleinerer Maßstäbe verschieben.“
„Dies geschieht durch das Aufbrechen und erneute Zusammenfügen der magnetischen Feldlinien, um Ketten aus kleinen verdrillten Linien zu erzeugen, die Plasmoide genannt werden. Dies verändert das seit über einem halben Jahrhundert allgemein akzeptierte Verständnis der turbulenten Energiekaskade. Die neue Erkenntnis verknüpft die Energieübertragungsrate mit der Geschwindigkeit Plasmoide wachsen, was den Energietransfer von großen zu kleinen Maßstäben verbessert und die Korona in diesen Maßstäben stark erhitzt.“
Die jüngste Entdeckung zeigt ein Regime mit einer sonnenkoronaähnlichen magnetischen Reynolds-Zahl, die beispiellos groß ist. Die große Zahl kennzeichnet die hohe Energieübertragungsrate der turbulenten Kaskade. Die durch Wiederverbindung bedingte Energieübertragung ist umso effektiver, je höher die magnetische Reynolds-Zahl ist.
Die Simulation ist einzigartig und hat über 200 Millionen Computer-CPUs in der NASA Advanced Supercomputing (NAS)-Einrichtung beansprucht.
PPPL-Physiker Amitava Bhattacharjee, ein Princeton-Professor für Astrophysik, der die Forschung betreute, sagte, „Dieses numerische Experiment hat zum ersten Mal unbestrittene Beweise für einen theoretisch vorhergesagten Mechanismus für einen bisher unentdeckten Bereich turbulenter Energiekaskade erbracht, die durch das Wachstum der Plasmoide gesteuert wird.“
„Die Auswirkungen dieser Entdeckung auf astrophysikalische Systeme auf verschiedenen Skalen können mit aktuellen und zukünftigen Raumfahrzeugen und Teleskopen untersucht werden. Die Aufklärung des Energieübertragungsprozesses über Skalen hinweg wird für die Lösung wichtiger kosmischer Rätsel von entscheidender Bedeutung sein.“
Journal Referenz:
- Chuanfei Dong et al. Durch Wiederverbindung angetriebene Energiekaskade in magnetohydrodynamischen Turbulenzen. Wissenschaft Fortschritte. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
