Οι μαγνητοϋδροδυναμικές αναταράξεις ρυθμίζουν τη μεταφορά ενέργειας από μεγάλες σε μικρές κλίμακες σε πολλά αστροφυσικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένης της ηλιακής ατμόσφαιρας. Για περισσότερο από μισό αιώνα, είναι ευρέως αποδεκτό ότι ο καταρράκτης ενέργειας στα τυρβώδη πλάσματα, όπως η ατμόσφαιρα του Ήλιου, ελέγχεται από αλληλεπιδράσεις κυμάτων MHD.
Σε μια νέα μελέτη, επιστήμονες στο Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος Princeton (PPPL) αποκάλυψε μια προηγουμένως κρυμμένη διαδικασία θέρμανσης που εξηγεί πώς η «ηλιακή κορώνα» μπορεί να είναι πολύ πιο ζεστή από την ηλιακή επιφάνεια που το εκπέμπει.
Χρησιμοποιώντας 200 εκατομμύρια ώρες υπολογιστικού χρόνου για τη μεγαλύτερη προσομοίωση του είδους της, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να αποκαλύψουν τη διαδικασία. Η άμεση αριθμητική τους προσομοίωση είναι η πρώτη που εντοπίζει αυτόν τον μηχανισμό θέρμανσης στον τρισδιάστατο χώρο.
Ο Chuanfei Dong, φυσικός στο PPPL και στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, είπε: «Τα τρέχοντα όργανα τηλεσκοπίων και διαστημικών σκαφών μπορεί να μην έχουν αρκετά υψηλή ανάλυση για να αναγνωρίσουν τη διαδικασία που συμβαίνει σε μικρή κλίμακα».
Η διαδικασία γνωστή ως μαγνητική επανασύνδεση, η οποία διασπά βίαια και ενώνει τα μαγνητικά πεδία στο πλάσμα - τη σούπα των ηλεκτρονίων και των ατομικών πυρήνων που συνθέτουν την ηλιακή ατμόσφαιρα - είναι το μυστικό συστατικό. Αποδείχθηκε από τη μοντελοποίηση του Dong για το πόσο γρήγορα το μαγνητικό πεδίο Οι γραμμές επανασυνδέθηκαν, μετατρέποντας τη μεγάλης κλίμακας χαοτική ενέργεια σε μικρής κλίμακας εσωτερική ενέργεια. Λόγω αυτής της αποτελεσματικής μετατροπής της τυρβώδους ενέργειας σε θερμική ενέργεια σε μικροσκοπικές κλίμακες, το Corona θερμαίνεται αποτελεσματικά.
Ο Ντονγκ είπε, «Σκεφτείτε να βάλετε κρέμα στον καφέ. Οι σταγόνες της κρέμας σύντομα γίνονται στριφογυριστές και λεπτές μπούκλες. Ομοίως, τα μαγνητικά πεδία σχηματίζουν λεπτά φύλλα ηλεκτρικού ρεύματος που διασπώνται λόγω μαγνητικής επανασύνδεσης. Αυτή η διαδικασία διευκολύνει τον ενεργειακό καταρράκτη από μεγάλης κλίμακας σε μικρής κλίμακας, καθιστώντας τη διαδικασία πιο αποτελεσματική στο ταραχώδης ηλιακή κορώνα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως».
«Όταν η διαδικασία επανασύνδεσης είναι αργή ενώ ο τυρβώδης καταρράκτης είναι γρήγορος, η επανασύνδεση δεν μπορεί να επηρεάσει τη μεταφορά ενέργειας στις κλίμακες. Αλλά όταν ο ρυθμός επανασύνδεσης γίνει αρκετά γρήγορος ώστε να υπερβαίνει τον παραδοσιακό ρυθμό καταρράκτη, η επανασύνδεση μπορεί να μετακινήσει τον καταρράκτη σε μικρές κλίμακες πιο αποτελεσματικά.
«Το κάνει αυτό σπάζοντας και επανασυνδέοντας τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου για να δημιουργήσει αλυσίδες μικρών στριμμένων γραμμών που ονομάζονται πλασμοειδή. Αυτό αλλάζει την κατανόηση του ταραχώδους ενεργειακού καταρράκτη που είναι ευρέως αποδεκτός για περισσότερο από μισό αιώνα. Το νέο εύρημα συνδέει τον ρυθμό μεταφοράς ενέργειας με το πόσο γρήγορα πλασμοειδή αναπτύσσονται, ενισχύοντας τη μεταφορά ενέργειας από μεγάλες σε μικρές κλίμακες και θερμαίνοντας έντονα το στέμμα σε αυτές τις κλίμακες».
Η πιο πρόσφατη ανακάλυψη δείχνει ένα καθεστώς με μαγνητικό αριθμό Ρέινολντς που μοιάζει με ηλιακό στέμμα που είναι άνευ προηγουμένου μεγάλος. Ο τεράστιος αριθμός χαρακτηρίζει τον υψηλό ρυθμό μεταφοράς ενέργειας του τυρβώδους καταρράκτη. Η μεταφορά ενέργειας που βασίζεται στην επανασύνδεση είναι πιο αποτελεσματική όσο μεγαλύτερος αυξάνεται ο μαγνητικός αριθμός Reynolds.
Η προσομοίωση είναι μια στο είδος της που έχει πάρει πάνω από 200 εκατομμύρια CPU υπολογιστών στις εγκαταστάσεις της NASA Advanced Supercomputing (NAS).
Ο φυσικός του PPPL Amitava Bhattacharjee, καθηγητής αστροφυσικών επιστημών του Πρίνστον που επέβλεψε την έρευνα, είπε, «Αυτό το αριθμητικό πείραμα παρήγαγε για πρώτη φορά αδιαμφισβήτητες ενδείξεις ενός θεωρητικά προβλεπόμενου μηχανισμού για ένα εύρος τυρβώδους ενέργειας που δεν είχε ανακαλυφθεί προηγουμένως που ελέγχεται από την ανάπτυξη των πλασμοειδών».
«Ο αντίκτυπος αυτού του ευρήματος σε αστροφυσικά συστήματα σε διάφορες κλίμακες μπορεί να διερευνηθεί με τρέχοντα και μελλοντικά διαστημόπλοια και τηλεσκόπια. Η αποσυσκευασία της διαδικασίας μεταφοράς ενέργειας σε κλίμακες θα είναι ζωτικής σημασίας για την επίλυση βασικών κοσμικών μυστηρίων».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Οι Chuanfei Dong et al. Ενεργειακός καταρράκτης που βασίζεται στην επανασύνδεση σε μαγνητοϋδροδυναμικές αναταράξεις. Προκαταβολές ΕπιστήμηΕ DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
