טורבולנציה מגנטוהידרודינמית מווסתת את העברת האנרגיה מקנה מידה גדול לקטן במערכות אסטרופיזיקליות רבות, כולל האטמוספרה הסולארית. במשך למעלה מחצי מאה, מקובל על כך שמפל האנרגיה בפלזמות סוערות, כמו האטמוספירה של השמש, נשלט על ידי אינטראקציות של גלי MHD.
במחקר חדש, מדענים במשרד האנרגיה האמריקאי (DOE) מעבדת הפיזיקה לפליזמה בפרינסטון (PPPL) חשפו תהליך חימום נסתר בעבר שעוזר להסביר כיצד "עטרה סולארית" יכולה להיות הרבה יותר חמה מאשר משטח סולארי שפולט את זה.
על ידי שימוש ב-200 מיליון שעות של זמן מחשב לסימולציה הגדולה ביותר מסוגה אי פעם, מדענים יכולים לחשוף את התהליך. הדמיה מספרית ישירה שלהם היא הראשונה לזהות את מנגנון החימום הזה בחלל תלת מימדי.
צ'ואנפיי דונג, פיזיקאי מ-PPPL ואוניברסיטת פרינסטון, אמר: "ייתכן שלמכשירי הטלסקופ והחללית הנוכחיים אין רזולוציה גבוהה מספיק כדי לזהות את התהליך המתרחש בקנה מידה קטן."
התהליך המכונה חיבור מגנטי מחדש, המפצל ומאחד מחדש שדות מגנטיים בפלזמה – מרק האלקטרונים וגרעינים אטומיים המרכיבים את האטמוספירה הסולארית – הוא המרכיב הסודי. זה הוכח על ידי הדוגמנות של דונג של כמה מהר השדה המגנטי קווים התחברו מחדש, והמירו את האנרגיה הכאוטית בקנה מידה גדול לאנרגיה פנימית בקנה מידה קטן. בשל המרה יעילה זו של אנרגיה סוערת לאנרגיה תרמית בקנה מידה זעיר, ה הִלָה מחומם ביעילות.
דונג אמר, "תחשוב לשים שמנת בקפה. טיפות השמנת הופכות עד מהרה לסיבובים ותלתלים דקים. באופן דומה, שדות מגנטיים יוצרים יריעות דקות של זרם חשמלי המתפרקות עקב חיבור מגנטי מחדש. תהליך זה מקל על מפל האנרגיה מקנה מידה גדול לקנה מידה קטן, מה שהופך את התהליך ליעיל יותר בתחום קורונה סולארית סוערת ממה שחשבו בעבר."
"כאשר תהליך החיבור מחדש איטי בעוד המפל הסוער מהיר, חיבור מחדש אינו יכול להשפיע על העברת האנרגיה על פני סולמות. אבל כאשר קצב החיבור מחדש הופך להיות מהיר מספיק כדי לחרוג מקצב המפל המסורתי, חיבור מחדש יכול להזיז את המפל לעבר קנה מידה קטן בצורה יעילה יותר."
"היא עושה זאת על ידי שבירת וחיבור מחדש של קווי השדה המגנטי ליצירת שרשראות של קווים מפותלים קטנים הנקראים פלסמואידים. זה משנה את ההבנה של מפל האנרגיה הסוער שהייתה מקובלת רחבה כבר למעלה מחצי מאה. הממצא החדש קושר את קצב העברת האנרגיה למהירות ה פלסמואידים לגדול, לשפר את העברת האנרגיה מקנה מידה גדול לקטן ולחמם חזק את הקורונה בקנה מידה אלה."
התגלית האחרונה מראה משטר עם מספר ריינולדס מגנטי דמוי קורונה סולארית שהוא גדול ללא תקדים. המספר העצום מאפיין את קצב העברת האנרגיה הגבוה של המפל הסוער. העברת אנרגיה מונעת חיבור מחדש יעילה יותר ככל שמספר ריינולדס המגנטי עולה.
הסימולציה היא אחת מסוגה שהשתלטה על 200 מיליון מעבדי מחשב במתקן מחשוב-על מתקדם (NAS) של נאס"א.
הפיזיקאית PPPL Amitava Bhattacharjee, פרופסור פרינסטון למדעים אסטרופיזיקליים שפיקחה על המחקר, אמר, "הניסוי המספרי הזה הביא לראשונה ראיות שאין עליהן עוררין למנגנון חזוי תיאורטית לטווח שטרם התגלה של מפל אנרגיה סוער שנשלט על ידי צמיחת הפלסמואידים."
"ניתן לחקור את ההשפעה של ממצא זה במערכות אסטרופיזיקליות בקנה מידה שונים באמצעות חלליות וטלסקופים נוכחיים ועתידיים. פירוק תהליך העברת האנרגיה על פני קנה מידה יהיה חיוני לפתרון תעלומות קוסמיות מרכזיות."
עיון ביומן:
- צ'ואנפיי דונג ואחרים. מפל אנרגיה מונע חיבור מחדש במערבולת מגנטו-הידרודינמית. התקדמות מדע. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
