تلاطم مغناطیسی هیدرودینامیکی انتقال انرژی از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک را در بسیاری از سیستم های اخترفیزیکی از جمله جو خورشید تنظیم می کند. برای بیش از نیم قرن، به طور گسترده پذیرفته شده است که آبشار انرژی در پلاسمای متلاطم، مانند جو خورشید، توسط فعل و انفعالات موج MHD کنترل می شود.
در یک مطالعه جدید، دانشمندان وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) آزمایشگاه فیزیک پلاسما پرینستون (PPPL) یک فرآیند گرمایش پنهان را کشف کرد که به توضیح اینکه چگونه "تاج خورشیدی" می تواند بسیار داغتر از سطح خورشیدی که آن را ساطع می کند.
با استفاده از 200 میلیون ساعت زمان کامپیوتری برای بزرگترین شبیه سازی در نوع خود، دانشمندان می توانند این فرآیند را آشکار کنند. شبیه سازی عددی مستقیم آنها اولین موردی است که این مکانیسم گرمایش را در فضای سه بعدی شناسایی می کند.
Chuanfei Dong، فیزیکدان در PPPL و دانشگاه پرینستون، گفت: ابزارهای تلسکوپ و فضاپیما کنونی ممکن است وضوح کافی برای شناسایی فرآیندی که در مقیاس های کوچک اتفاق می افتد نداشته باشند.
فرآیندی که به عنوان اتصال مجدد مغناطیسی شناخته می‌شود، که میدان‌های مغناطیسی پلاسما را به شدت شکافته و دوباره متحد می‌کند - سوپ الکترون‌ها و هسته‌های اتمی که جو خورشید را تشکیل می‌دهند - عنصر مخفی است. این با مدلسازی دونگ از سرعت عمل نشان داده شد میدان مغناطیسی خطوط دوباره به هم متصل شدند و انرژی آشفته در مقیاس بزرگ را به انرژی داخلی در مقیاس کوچک تبدیل کردند. با توجه به این تبدیل کارآمد انرژی آشفته به انرژی حرارتی در مقیاس های کوچک، تاج به طور موثر گرم می شود.
دونگ گفت، به فکر قرار دادن خامه در قهوه باشید. قطره های کرم به زودی به حلقه و فرهای باریک تبدیل می شوند. به طور مشابه، میدان های مغناطیسی صفحات نازکی از جریان الکتریکی را تشکیل می دهند که به دلیل اتصال مجدد مغناطیسی شکسته می شوند. این فرآیند آبشار انرژی را از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک تسهیل می‌کند و این فرآیند را در مقیاس بزرگ کارآمدتر می‌کند تاج خورشیدی متلاطم بیش از آنچه قبلاً تصور می شد.»
هنگامی که فرآیند اتصال مجدد کند است در حالی که آبشار آشفته سریع است، اتصال مجدد نمی تواند بر انتقال انرژی در مقیاس ها تأثیر بگذارد. اما زمانی که نرخ اتصال مجدد به اندازه ای سریع می شود که از نرخ آبشاری سنتی فراتر می رود، اتصال مجدد می تواند آبشار را به سمت مقیاس های کوچک با کارآمدتر حرکت دهد.
او این کار را با شکستن و پیوستن مجدد خطوط میدان مغناطیسی برای تولید زنجیره‌ای از خطوط کوچک پیچ خورده به نام پلاسموئید انجام می‌دهد. این موضوع درک آبشار انرژی متلاطم را که بیش از نیم قرن به طور گسترده پذیرفته شده است، تغییر می دهد. یافته جدید سرعت انتقال انرژی را به سرعت انتقال انرژی مرتبط می کند پلاسموئیدها رشد کند، انتقال انرژی از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک را افزایش می دهد و تاج را در این مقیاس ها به شدت گرم می کند.
جدیدترین کشف رژیمی با عدد رینولدز مغناطیسی شبیه تاج خورشیدی را نشان می دهد که به طور بی سابقه ای بزرگ است. عدد زیاد، نرخ بالای انتقال انرژی آبشار آشفته را مشخص می کند. هرچه عدد رینولدز مغناطیسی بیشتر شود، انتقال انرژی مبتنی بر اتصال مجدد موثرتر است.
این شبیه سازی یکی از انواع خود است که بیش از 200 میلیون CPU کامپیوتر را در تاسیسات ابررایانه پیشرفته ناسا (NAS) گرفته است.
آمیتاوا باتاچارجی، فیزیکدان PPPL، استاد علوم اخترفیزیکی پرینستون که بر این تحقیق نظارت داشت، گفت:, این آزمایش عددی برای اولین بار شواهدی غیرقابل انکار از یک مکانیسم پیش‌بینی‌شده تئوری برای محدوده‌ای از آبشار انرژی متلاطم که قبلاً کشف نشده بود که توسط رشد پلاسموئیدها کنترل می‌شد، ارائه کرد.
تاثیر این یافته در سیستم‌های اخترفیزیکی در مقیاس‌های مختلف را می‌توان با فضاپیماها و تلسکوپ‌های فعلی و آینده بررسی کرد. باز کردن فرآیند انتقال انرژی در مقیاس ها برای حل اسرار کلیدی کیهانی بسیار مهم است.
مرجع مجله:
- چوانفی دونگ و همکاران آبشار انرژی مبتنی بر اتصال مجدد در تلاطم مغناطیسی هیدرودینامیکی با پیشرفتهای علمیبه DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
