Εισαγωγή
Κατά τη διάρκεια των φευγαλέων κρίσεων, ο ήλιος εκτοξεύει περιστασιακά μια κολοσσιαία ποσότητα ενέργειας στο διάστημα. Αυτές οι εκρήξεις που ονομάζονται ηλιακές εκλάμψεις διαρκούν λίγα λεπτά και μπορούν να προκαλέσουν καταστροφικές διακοπές ρεύματος και εκθαμβωτικά σέλας στη Γη. Αλλά οι κορυφαίες μαθηματικές θεωρίες μας για το πώς λειτουργούν αυτές οι εκλάμψεις αποτυγχάνουν να προβλέψουν τη δύναμη και την ταχύτητα αυτού που παρατηρούμε.
Στην καρδιά αυτών των εκρήξεων βρίσκεται ένας μηχανισμός που μετατρέπει τη μαγνητική ενέργεια σε ισχυρές εκρήξεις φωτός και σωματιδίων. Αυτός ο μετασχηματισμός καταλύεται από μια διαδικασία που ονομάζεται μαγνητική επανασύνδεση, κατά την οποία τα συγκρουόμενα μαγνητικά πεδία σπάνε και ευθυγραμμίζονται αμέσως, εκτοξεύοντας υλικό στον κόσμο. Εκτός από την τροφοδοσία ηλιακών εκλάμψεων, η επανασύνδεση μπορεί να τροφοδοτήσει τα γρήγορα, σωματίδια υψηλής ενέργειας εκτινάσσεται από αστέρια που εκρήγνυνται, η λάμψη του πίδακες από μαύρες τρύπες που γιορτάζουν, και το σταθερός άνεμος φυσάει ο ήλιος.
Παρά την πανταχού παρουσία του φαινομένου, οι επιστήμονες έχουν δυσκολευτεί να καταλάβουν πώς λειτουργεί τόσο αποτελεσματικά. ΕΝΑ πρόσφατη θεωρία προτείνει ότι όταν πρόκειται για την επίλυση των μυστηρίων της μαγνητικής επανασύνδεσης, η μικροσκοπική φυσική παίζει μεγάλο ρόλο. Συγκεκριμένα, εξηγεί γιατί ορισμένα συμβάντα επανασύνδεσης είναι τόσο εκπληκτικά γρήγορα — και γιατί τα πιο δυνατά φαίνεται να συμβαίνουν με χαρακτηριστική ταχύτητα. Η κατανόηση των μικροφυσικών λεπτομερειών της επανασύνδεσης θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να δημιουργήσουν καλύτερα μοντέλα αυτών των ενεργειακών εκρήξεων και να κατανοήσουν τις κοσμικές εκρήξεις.
«Μέχρι στιγμής, αυτή είναι η καλύτερη θεωρία που μπορώ να δω», είπε Χαντάο Τζι, ένας φυσικός πλάσματος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον που δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Είναι μεγάλο επίτευγμα».
Ψυχαγωγία με υγρά
Σχεδόν όλη η γνωστή ύλη στο σύμπαν υπάρχει με τη μορφή πλάσματος, μια πύρινη σούπα αερίου όπου οι κολασμένες θερμοκρασίες έχουν απογυμνώσει τα άτομα σε φορτισμένα σωματίδια. Καθώς κλείνουν με φερμουάρ, αυτά τα σωματίδια δημιουργούν μαγνητικά πεδία, τα οποία στη συνέχεια καθοδηγούν τις κινήσεις των σωματιδίων. Αυτή η χαοτική αλληλεπίδραση πλέκει ένα ανακατεμένο χάος από γραμμές μαγνητικού πεδίου που, όπως τα λαστιχάκια, αποθηκεύουν όλο και περισσότερη ενέργεια καθώς τεντώνονται και στρίβουν.
Στη δεκαετία του 1950, οι επιστήμονες πρότειναν μια εξήγηση για το πώς το πλάσμα εκτοξεύει την κλειστή τους ενέργεια, μια διαδικασία που ονομάστηκε μαγνητική επανασύνδεση. Όταν οι γραμμές μαγνητικού πεδίου που δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις συγκρούονται, μπορούν να σπάσουν και να συνδεθούν σταυρωτά, εκτοξεύοντας σωματίδια σαν σφεντόνα διπλής όψης.
Αλλά αυτή η ιδέα ήταν πιο κοντά σε μια αφηρημένη ζωγραφική παρά σε ένα πλήρες μαθηματικό μοντέλο. Οι επιστήμονες ήθελαν να κατανοήσουν τις λεπτομέρειες του πώς λειτουργεί η διαδικασία - τα γεγονότα που επηρεάζουν το χτύπημα, τον λόγο για τον οποίο απελευθερώνεται τόση πολλή ενέργεια. Αλλά η ακατάστατη αλληλεπίδραση ζεστού αερίου, φορτισμένων σωματιδίων και μαγνητικών πεδίων είναι δύσκολο να τιθασευτεί μαθηματικά.
Η πρώτη ποσοτική θεωρία, που περιγράφεται το 1957 από τους αστροφυσικούς Peter Sweet και Eugene Parker, αντιμετωπίζει το πλάσμα ως μαγνητισμένα υγρά. Υποδηλώνει ότι οι συγκρούσεις αντίθετα φορτισμένων σωματιδίων τραβούν γραμμές μαγνητικού πεδίου και πυροδοτούν μια φυγή αλυσίδα γεγονότων επανασύνδεσης. Η θεωρία τους προβλέπει επίσης ότι αυτή η διαδικασία συμβαίνει με συγκεκριμένο ρυθμό. Οι ρυθμοί επανασύνδεσης που παρατηρούνται σε σχετικά αδύναμα, εργαστηριακά σφυρηλατημένα πλάσματα ταιριάζουν με την πρόβλεψή τους, όπως και οι ρυθμοί για μικρότερους πίδακες στα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας του ήλιου.
Αλλά οι ηλιακές εκλάμψεις απελευθερώνουν ενέργεια πολύ πιο γρήγορα από ό,τι μπορεί να εξηγήσει η θεωρία των Sweet και Parker. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, αυτές οι φωτοβολίδες θα πρέπει να ξεδιπλώνονται σε μήνες και όχι σε λεπτά.
Πιο πρόσφατα, παρατηρήσεις από τη NASA μαγνητοσφαιρικοί δορυφόροι εντόπισε αυτή την ταχύτερη επανασύνδεση να συμβαίνει ακόμη πιο κοντά στο σπίτι, στο μαγνητικό πεδίο της ίδιας της Γης. Αυτές οι παρατηρήσεις, μαζί με στοιχεία από δεκαετίες προσομοιώσεων υπολογιστή, επιβεβαιώνουν αυτόν τον «γρήγορο» ρυθμό επανασύνδεσης: Σε πιο ενεργητικά πλάσματα, η επανασύνδεση συμβαίνει περίπου στο 10% της ταχύτητας με την οποία διαδίδονται τα μαγνητικά πεδία — τάξεις μεγέθους ταχύτερα από ό,τι προβλέπει η θεωρία των Sweet και Parker .
Το ποσοστό επανασύνδεσης 10% παρατηρείται τόσο παγκοσμίως που πολλοί επιστήμονες το θεωρούν «ο αριθμός που έδωσε ο Θεός», είπε. Alisa Galishnikova, ερευνητής στο Πρίνστον. Αλλά η επίκληση του θεϊκού δεν εξηγεί τι είναι αυτό που κάνει την επανασύνδεση τόσο γρήγορα.
Αριθμός Θεού
Στη δεκαετία του 1990, οι φυσικοί απομάκρυναν να αντιμετωπίζουν το πλάσμα ως υγρά, κάτι που αποδείχθηκε πολύ απλοϊκό. Με μεγέθυνση, μια μαγνητισμένη σούπα αποτελείται πραγματικά από μεμονωμένα σωματίδια. Και το πώς αυτά τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κάνει μια κρίσιμη διαφορά.
«Όταν φτάσετε στις μικροκλίμακες, η περιγραφή του υγρού αρχίζει να καταρρέει», είπε Amitava Bhattacharjee, φυσικός πλάσματος στο Πρίνστον. «Η [μικροφυσική] εικόνα έχει πράγματα που η ρευστή εικόνα δεν μπορεί ποτέ να συλλάβει».
Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι φυσικοί υποψιάζονταν ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο γνωστό ως φαινόμενο Hall μπορεί να κρύβει το μυστικό της γρήγορης επανασύνδεσης: τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και τα θετικά φορτισμένα ιόντα έχουν διαφορετικές μάζες, έτσι ταξιδεύουν κατά μήκος των γραμμών μαγνητικού πεδίου με διαφορετικές ταχύτητες. Αυτή η διαφορά ταχύτητας δημιουργεί μια τάση μεταξύ των διαχωρισμένων φορτίων.
Το 2001, ο Bhattacharjee και οι συνεργάτες του έδειξε ότι μόνο τα μοντέλα που περιλάμβαναν το φαινόμενο Hall απέδιδαν κατάλληλα γρήγορους ρυθμούς επανασύνδεσης. Αλλά το πώς ακριβώς αυτή η τάση παρήγαγε το μαγικό 10% παρέμεινε ένα μυστήριο. «Δεν μας έδειξε το «πώς» και το «γιατί», είπε Yi-Hsin Liu, φυσικός πλάσματος στο Dartmouth College.
Εισαγωγή
Τώρα, σε δύο πρόσφατα δημοσιευμένες θεωρητικές εργασίες, ο Liu και οι συνεργάτες του προσπάθησαν να συμπληρώσουν τις λεπτομέρειες.
Η πρώτο χαρτί, δημοσιευτηκε σε Φυσική επικοινωνιών, περιγράφει πώς η τάση προκαλεί ένα μαγνητικό πεδίο που τραβά τα ηλεκτρόνια μακριά από το κέντρο των δύο μαγνητικών περιοχών που συγκρούονται. Αυτή η εκτροπή παράγει ένα κενό που απορροφά νέες γραμμές πεδίου και τις πιέζει στο κέντρο, επιτρέποντας στη μαγνητική σφεντόνα να σχηματιστεί πιο γρήγορα.
«Αυτή η εικόνα χάθηκε… [αλλά] μας κοιτούσε κατάματα», είπε Τζιμ Ντρέικ, φυσικός πλάσματος στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ. «Αυτό είναι το πρώτο πειστικό επιχείρημα που έχω δει ποτέ».
Στο δεύτερο χαρτί, δημοσιευτηκε σε Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης, ο Liu και ο προπτυχιακός ερευνητικός βοηθός του Matthew Goodbred περιγράφουν πώς εμφανίζεται το ίδιο φαινόμενο κενού σε ακραία πλάσματα που περιέχουν διαφορετικά συστατικά. Γύρω από τις μαύρες τρύπες, για παράδειγμα, τα πλάσματα πιστεύεται ότι αποτελούνται από ηλεκτρόνια και εξίσου τεράστια ποζιτρόνια, επομένως το φαινόμενο Hall δεν ισχύει πλέον. Ωστόσο, "μαγικά, η επανασύνδεση εξακολουθεί να λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο", είπε ο Liu. Οι ερευνητές προτείνουν ότι μέσα σε αυτά τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας δαπανάται για την επιτάχυνση των σωματιδίων αντί για τη θέρμανση τους - δημιουργώντας πάλι μια μείωση της πίεσης που αποδίδει το θεϊκό ποσοστό 10%.
«Είναι ένα σημαντικό ορόσημο θεωρητικά», είπε Lorenzo Sironi, θεωρητικός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια που εργάζεται σε προσομοιώσεις υπολογιστών πίδακες πλάσματος υψηλής ενέργειας. «Αυτό μας δίνει σιγουριά… ότι αυτό που βλέπουμε στις προσομοιώσεις μας δεν είναι τρελό».
Μαζεύοντας σωματίδια
Οι επιστήμονες δεν μπορούν να μοντελοποιήσουν κάθε μεμονωμένο σωματίδιο σε μεγάλης κλίμακας προσομοιώσεις πλάσματος. Κάτι τέτοιο θα παράγει δισεκατομμύρια terabyte δεδομένων και θα χρειαστούν εκατοντάδες χρόνια για να ολοκληρωθεί, ακόμη και με τη χρήση των πιο προηγμένων υπερυπολογιστών. Όμως οι ερευνητές ανακάλυψαν πρόσφατα πώς να αντιμετωπίσουν ένα τόσο δυσκίνητο σύστημα ως ένα μικρότερο, πιο διαχειρίσιμο σύνολο σωματιδίων.
Για να διερευνήσουν τη σημασία της εξέτασης μεμονωμένων σωματιδίων, ο Galishnikova και οι συνεργάτες του συνέκριναν δύο προσομοιώσεις μιας αυξανόμενης μαύρης τρύπας - η μία αντιμετωπίζει το πλάσμα ως ομοιογενές υγρό και η άλλη ρίχνει περίπου ένα δισεκατομμύριο σωματίδια στο μείγμα. Τα αποτελέσματά τους, που δημοσιεύτηκε τον Μάρτιο στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης, δείχνουν ότι η ενσωμάτωση της μικροφυσικής οδηγεί σε σαφώς διαφορετικές εικόνες από τις εκλάμψεις μιας μαύρης τρύπας, τις επιταχύνσεις των σωματιδίων και τις διακυμάνσεις της φωτεινότητας.
Τώρα, οι επιστήμονες ελπίζουν ότι οι θεωρητικές εξελίξεις όπως αυτή του Liu θα οδηγήσουν σε μοντέλα μαγνητικής επανασύνδεσης που αντικατοπτρίζουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη φύση. Όμως, ενώ η θεωρία του στοχεύει να λύσει το πρόβλημα του ρυθμού επανασύνδεσης, δεν εξηγεί γιατί ορισμένες γραμμές πεδίου συγκρούονται και πυροδοτούν την επανασύνδεση, αλλά όχι άλλες. Επίσης, δεν περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο η εκροή ενέργεια διαιρείται σε πίδακες, θερμότητα και κοσμικές ακτίνες — ή πώς οποιοδήποτε από αυτά λειτουργεί σε τρεις διαστάσεις και σε μεγαλύτερες κλίμακες. Ωστόσο, το έργο του Liu δείχνει πώς, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, η μαγνητική επανασύνδεση μπορεί να είναι αρκετά αποτελεσματική για να οδηγήσει σε εφήμερες αλλά βίαιες ουράνιες εκρήξεις.
«Πρέπει να απαντήσετε στην ερώτηση «γιατί» — αυτό είναι ένα κρίσιμο μέρος για να προχωρήσουμε με την επιστήμη», είπε ο Drake. "Έχοντας τη σιγουριά ότι κατανοούμε τον μηχανισμό μας δίνει μια πολύ καλύτερη ικανότητα να προσπαθούμε να καταλάβουμε τι συμβαίνει."
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
- Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.quantamagazine.org/the-tiny-physics-behind-immense-cosmic-eruptions-20230515/
- :έχει
- :είναι
- :δεν
- :που
- ][Π
- $UP
- 2001
- a
- ικανότητα
- ΠΕΡΙΛΗΨΗ
- επιταχύνοντας
- Λογαριασμός
- με ακρίβεια
- επίτευξη
- Επιπλέον
- προηγμένες
- προκαταβολές
- πάλι
- στόχοι
- Όλα
- Επιτρέποντας
- κατά μήκος
- Επίσης
- ποσό
- an
- και
- Άλλος
- απάντηση
- κάθε
- κατάλληλα
- ΕΙΝΑΙ
- επιχείρημα
- γύρω
- AS
- Βοηθός
- At
- Ατμόσφαιρα
- προσπάθεια
- μακριά
- BE
- πίσω
- ΚΑΛΎΤΕΡΟΣ
- Καλύτερα
- μεταξύ
- Μεγάλος
- Δισεκατομμύριο
- δισεκατομμύρια
- Μαύρη
- Μαύρη Τρύπα
- μαύρες τρύπες
- Διακοπή
- Σπάζοντας
- χτίζω
- αλλά
- by
- υπολογισμοί
- που ονομάζεται
- ήρθε
- CAN
- πιάνω
- καταστροφικός
- Κέντρο
- αλυσίδα
- χαρακτηριστικός
- φορτισμένα
- φορτία
- περιστάσεις
- πιο κοντά
- συναδέλφους
- Κολλέγιο
- Συγκρούονται
- COLUMBIA
- έρχεται
- σύγκριση
- πλήρης
- υπολογιστή
- εμπιστοσύνη
- Επιβεβαιώνω
- Εξετάστε
- θεωρώντας
- Κοσμικές ακτίνες
- Σύμπαν
- θα μπορούσε να
- τρελός
- δημιουργία
- κρίσιμος
- ημερομηνία
- δεκαετίες
- περιγράφουν
- περιγράφεται
- περιγραφή
- καθέκαστα
- DID
- διαφορά
- διαφορετικές
- Διαστάσεις
- Εκτροπή
- do
- κάνει
- Όχι
- πράξη
- κάτω
- σχεδιάζω
- εφιστά
- αυτοκίνητο
- κάθε
- γη
- αποτέλεσμα
- αποτελεσματικός
- αποτελεσματικά
- ηλεκτρόνια
- αναδύεται
- ενέργεια
- αρκετά
- εξίσου
- Even
- εκδηλώσεις
- ΠΑΝΤΑ
- απόδειξη
- παράδειγμα
- υπάρχει
- Εξηγήστε
- Εξηγεί
- εξήγηση
- άκρο
- Πρόσωπο
- ΑΠΟΤΥΓΧΑΝΩ
- μακριά
- FAST
- γρηγορότερα
- πεδίο
- Πεδία
- Εικόνα
- σχηματικός
- συμπληρώστε
- Όνομα
- υγρό
- Για
- μορφή
- Προς τα εμπρός
- από
- GAS
- παράγουν
- δημιουργεί
- παίρνω
- δεδομένου
- δίνει
- μετάβαση
- καθοδηγήσει
- είχε
- Αίθουσα
- Συμβαίνει
- Έχω
- Καρδιά
- βοήθεια
- του
- κρατήστε
- Τρύπα
- Τρύπες
- Αρχική
- ελπίζω
- ΚΑΥΤΌ
- Πως
- Πώς να
- HTML
- http
- HTTPS
- Εκατοντάδες
- i
- ιδέα
- προσδιορίζονται
- τεράστια
- σπουδαιότητα
- in
- περιλαμβάνονται
- ενσωματώνοντας
- ατομικές
- επιρροή
- στη στιγμή
- αλληλεπιδρούν
- αλληλεπίδραση
- σε
- διερευνήσει
- συμμετέχουν
- IT
- Τζέτ
- γνωστός
- μεγάλης κλίμακας
- μεγαλύτερος
- Επίθετο
- δρομολόγηση
- στρώματα
- οδηγήσει
- που οδηγεί
- Οδηγεί
- φως
- Μου αρέσει
- γραμμές
- λίγο
- πλέον
- χαμηλότερα
- που
- περιοδικό
- Μαγνητικό πεδίο
- μαγνητική επανασύνδεση
- μεγάλες
- κάνω
- ΚΑΝΕΙ
- Κατασκευή
- πολοί
- Μάρτιος
- Μέριλαντ
- μάζες
- μαζική
- Ταίριασμα
- υλικό
- μαθηματικός
- Μαθηματικά
- ύλη
- Ματθαίος
- Ενδέχεται..
- μηχανισμός
- καταναλωτές
- ενδέχεται να
- ορόσημο
- Λεπτ.
- μοντέλο
- μοντέλα
- μήνες
- περισσότερο
- πλέον
- κινήσεις
- κίνηση
- πολύ
- Μυστήριο
- Nasa
- Φύση
- αρνητικά
- ποτέ
- Νέα
- Όχι.
- αριθμός
- παρατηρούμε
- of
- off
- on
- ONE
- αποκλειστικά
- απέναντι
- or
- παραγγελιών
- ΑΛΛΑ
- Άλλα
- δικός μας
- έξω
- επί
- δική
- ζωγραφική
- χαρτιά
- μέρος
- Ειδικότερα
- Το παρελθόν
- Πέτρος
- φαινόμενο
- PHP
- Φυσική
- εικόνα
- Εικόνες
- Plasma
- Πλάτων
- Πληροφορία δεδομένων Plato
- Πλάτωνα δεδομένα
- παίζει
- δύναμη
- ισχυρός
- Ενεργοποίηση
- ακριβώς
- προβλέψει
- πρόβλεψη
- Προβλέπει
- χυτρα
- Πρόβλημα
- διαδικασια μας
- παράγει
- Παράγεται
- προτείνω
- προτείνεται
- προτείνει
- δημοσιεύθηκε
- Quantamamagazine
- ποσοτικός
- ερώτηση
- γρήγορα
- Τιμή
- Τιμές
- μάλλον
- πραγματικά
- λόγος
- πρόσφατα
- ανασύνδεση
- αντανακλούν
- περιοχές
- σχετικά
- απελευθερώνουν
- παρέμεινε
- έρευνα
- ερευνητής
- ερευνητές
- ανασκόπηση
- δεξιά
- Ρόλος
- περίπου
- Είπε
- ίδιο
- Ζυγός
- Επιστήμη
- επιστήμονες
- Μυστικό
- δείτε
- βλέποντας
- φαίνομαι
- δει
- αίσθηση
- σειρά
- εγκατασταθούν
- θα πρέπει να
- δείχνουν
- Δείχνει
- παρόμοιες
- μικρότερος
- Θραύση
- So
- ηλιακός
- Επίλυση
- μερικοί
- Χώρος
- ταχύτητα
- ταχύτητες
- πέρασε
- Ηθοποιοί
- ξεκινά
- Ακόμη
- κατάστημα
- δύναμη
- ισχυρότερη
- Μελέτη
- τέτοιος
- Προτείνει
- Κυρ.
- γλυκός
- σύστημα
- Πάρτε
- από
- ότι
- Η
- τους
- Τους
- τότε
- θεωρητικός
- θεωρία
- Αυτοί
- αυτοί
- πράγματα
- αυτό
- εκείνοι
- σκέψη
- τρία
- προς την
- πολύ
- Μεταμόρφωση
- ταξίδι
- θεραπεία
- θεραπεία
- ενεργοποιούν
- προσπαθώ
- Γύρισε
- δύο
- υπό
- καταλαβαίνω
- κατανόηση
- Σύμπαν
- πανεπιστήμιο
- us
- χρησιμοποιώντας
- Κενό
- Τάση
- ήθελε
- ήταν
- Τρόπος..
- we
- webp
- Τι
- πότε
- Ποιό
- ενώ
- Ο ΟΠΟΊΟΣ
- WHY
- θα
- με
- εντός
- Εργασία
- εργαζόμενος
- λειτουργεί
- θα
- χρόνια
- ακόμη
- απέδωσε
- αποδόσεις
- Εσείς
- zephyrnet
- Zip