Magnetohydrodynaaminen turbulenssi säätelee energian siirtymistä suurista mittakaavista pieniin monissa astrofysikaalisissa järjestelmissä, mukaan lukien aurinkoilmakehä. Yli puolen vuosisadan ajan on laajalti hyväksytty, että turbulenttien plasmojen, kuten Auringon ilmakehän, energiakaskadi on ohjattu MHD-aaltojen vuorovaikutuksilla.
Uudessa tutkimuksessa Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) tutkijat Princetonin plasmafysiikan laboratorio (PPPL) paljasti aiemmin piilotetun lämmitysprosessin, joka auttaa selittämään, kuinka "aurinkokorona" voi olla huomattavasti kuumempi kuin auringon pinta joka lähettää sen.
Käyttämällä 200 miljoonaa tuntia tietokoneaikaa kaikkien aikojen suurimpaan simulaatioon, tiedemiehet voisivat paljastaa prosessin. Niiden suora numeerinen simulaatio on ensimmäinen, joka tunnistaa tämän lämmitysmekanismin 3D-avaruudessa.
Chuanfei Dong, fyysikko PPPL:stä ja Princetonin yliopistosta, sanoi: "Nykyisten teleskooppi- ja avaruusalusinstrumenttien resoluutio ei välttämättä ole riittävän korkea tunnistamaan pienissä mittakaavassa tapahtuvaa prosessia."
Prosessi, joka tunnetaan nimellä magneettinen uudelleenkytkentä, joka jakaa ja yhdistää rajusti magneettikenttiä plasmassa – elektronien ja atomiytimien keitossa, joka muodostaa auringon ilmakehän – on salainen ainesosa. Sen osoitti Dongin mallinnus siitä, kuinka nopeasti magneettikenttä linjat yhdistettiin uudelleen, mikä muuntaa laajamittaisen kaoottisen energian pienen mittakaavan sisäiseksi energiaksi. Tämän tehokkaan turbulentin energian muuntamisen ansiosta lämpöenergiaksi pienissä mittakaavassa, kruunu lämmitetään tehokkaasti.
Dong sanoi, "Ajattele laittaa kermaa kahviin. Kermapisaroista tulee pian pyörteitä ja ohuita kiharoita. Samoin magneettikentät muodostavat ohuita sähkövirtalevyjä, jotka hajoavat magneettisen uudelleenkytkennän seurauksena. Tämä prosessi helpottaa energiakaskadin siirtymistä suuresta pieneen mittakaavaan, mikä tekee prosessista tehokkaamman myrskyisä aurinkokorona kuin aiemmin uskottiin."
”Kun uudelleenkytkentäprosessi on hidas ja turbulenttinen kaskadi nopea, uudelleenkytkentä ei voi vaikuttaa energian siirtoon vaakojen välillä. Mutta kun uudelleenkytkentänopeus on riittävän nopea ylittääkseen perinteisen kaskadinopeuden, uudelleenkytkentä voi siirtää kaskadia kohti pieniä mittakaavoja tehokkaammin.
"Se tekee tämän katkaisemalla ja yhdistämällä uudelleen magneettikenttäviivat muodostaen pienten kierrettyjen viivojen ketjuja, joita kutsutaan plasmoideiksi. Tämä muuttaa käsitystä myrskyisestä energiakaskadista, joka on yleisesti hyväksytty yli puoli vuosisataa. Uusi löytö sitoo energiansiirtonopeuden siihen, kuinka nopeasti plasmoidit kasvaa, tehostaen energian siirtoa suurista mittakaavista pieniin ja lämmittää voimakkaasti koronaa näissä mittakaavassa."
Viimeisin löytö osoittaa järjestelmän, jossa aurinkokoronan kaltainen magneettinen Reynolds-luku on ennennäkemättömän suuri. Valtava luku luonnehtii turbulenttisen kaskadin suurta energiansiirtonopeutta. Uudelleenkytkentäohjattu energiansiirto on tehokkaampaa, mitä korkeammaksi magneettinen Reynolds-luku kasvaa.
Simulaatio on ainutlaatuinen, ja se on ottanut käyttöön yli 200 miljoonaa tietokoneprosessoria NASAn Advanced Supercomputing (NAS) -laitoksessa.
PPPL-fyysikko Amitava Bhattacharjee, Princetonin astrofysiikan professori, joka ohjasi tutkimusta, sanoi, "Tämä numeerinen koe on tuottanut kiistatonta näyttöä ensimmäistä kertaa teoreettisesti ennustetusta mekanismista aiemmin löytämättömälle turbulenttiselle energiakaskadille, jota plasmoidien kasvu ohjaa."
"Tämän löydön vaikutusta astrofysikaalisiin järjestelmiin eri mittakaavassa voidaan tutkia nykyisillä ja tulevilla avaruusaluksilla ja kaukoputkilla. Energiansiirtoprosessin purkaminen asteikkojen välillä on ratkaisevan tärkeää kosmisten tärkeiden mysteerien ratkaisemisessa."
Lehden viite:
- Chuanfei Dong et ai. Uudelleenkytkentäohjattu energiakaskadi magnetohydrodynaamisessa turbulenssissa. Tiede ennakot. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
