자기유체역학적 난류는 태양 대기를 포함한 많은 천체 물리학 시스템에서 큰 규모에서 작은 규모로의 에너지 전달을 조절합니다. 지난 반세기 동안 태양 대기와 같은 난류 플라즈마의 에너지 폭포가 MHD 파동 상호 작용에 의해 제어된다는 것이 널리 받아들여졌습니다.
새로운 연구에서 미국 에너지부(DOE)의 과학자들은 프린스턴 플라즈마 물리학 연구실 (PPPL)은 "태양 코로나"가 어떻게 코로나보다 훨씬 더 뜨거울 수 있는지 설명하는 데 도움이 되는 이전에 숨겨진 가열 과정을 발견했습니다. 태양 표면 방출하는 것입니다.
과학자들은 사상 최대 규모의 시뮬레이션에 200억 시간의 컴퓨터 시간을 사용하여 프로세스를 공개할 수 있었습니다. 그들의 직접적인 수치 시뮬레이션은 3D 공간에서 이 가열 메커니즘을 최초로 식별한 것입니다.
PPPL과 프린스턴 대학의 물리학자인 Chuanfei Dong은 다음과 같이 말했습니다. "현재의 망원경과 우주선 장비는 소규모에서 발생하는 과정을 식별할 만큼 해상도가 높지 않을 수 있습니다."
태양 대기를 구성하는 전자와 원자핵의 수프인 플라즈마의 자기장을 격렬하게 쪼개고 재결합시키는 자기 재결합으로 알려진 과정이 비밀 성분입니다. 이는 얼마나 빨리 진행되는지 Dong의 모델링을 통해 입증되었습니다. 자기장 선이 다시 연결되어 대규모 혼돈 에너지가 소규모 내부 에너지로 변환됩니다. 난류 에너지를 작은 규모의 열 에너지로 효율적으로 변환하기 때문에 왕관 효과적으로 가열됩니다.
동이가 말했다. “커피에 크림을 넣는다고 생각해 보세요. 크림 방울은 곧 소용돌이 모양의 가느다란 컬로 변합니다. 마찬가지로 자기장은 자기 재연결로 인해 끊어지는 얇은 전류 시트를 형성합니다. 이 프로세스는 대규모에서 소규모로의 에너지 캐스케이드를 촉진하여 프로세스를 보다 효율적으로 만듭니다. 격동하는 태양 코로나 예전에 생각했던 것보다.”
“난류 폭포가 빠른 반면 재연결 프로세스는 느리면 재연결은 규모 전체의 에너지 전달에 영향을 미칠 수 없습니다. 그러나 재연결 속도가 기존 캐스케이드 속도를 초과할 만큼 빨라지면 재연결을 통해 캐스케이드를 더 효율적으로 소규모로 이동할 수 있습니다."
“플라스모이드라고 불리는 작은 꼬인 선의 사슬을 생성하기 위해 자기장 선을 끊었다가 다시 결합함으로써 이를 수행합니다. 이는 반세기 넘게 널리 받아들여져 왔던 난류 에너지 폭포에 대한 이해를 변화시킵니다. 새로운 발견은 에너지 전달 속도를 얼마나 빠른지와 연결합니다. 플라스모이드 성장하여 대규모에서 소규모로 에너지 전달을 강화하고 이러한 규모에서 코로나를 강하게 가열합니다.”
가장 최근의 발견은 전례 없이 큰 태양 코로나와 같은 자기 레이놀즈 수를 갖는 영역을 보여줍니다. 엄청난 숫자는 난류 캐스케이드의 높은 에너지 전달 속도를 나타냅니다. 재연결에 의한 에너지 전달은 자기 레이놀즈 수가 증가할수록 더 효과적입니다.
이 시뮬레이션은 NASA NAS(Advanced Supercomputing) 시설에서 200억 개가 넘는 컴퓨터 CPU를 사용하는 종류 중 하나입니다.
연구를 감독한 PPPL 물리학자이자 프린스턴 천체물리학 교수인 Amitava Bhattacharjee는 말했다, "이 수치 실험은 플라스모이드의 성장에 의해 제어되는 이전에 발견되지 않은 범위의 난류 에너지 캐스케이드에 대한 이론적으로 예측된 메커니즘에 대한 확실한 증거를 처음으로 제시했습니다."
“다양한 규모의 천체물리학 시스템에서 이번 발견이 미치는 영향은 현재와 미래의 우주선과 망원경을 통해 탐구될 수 있습니다. 다양한 규모의 에너지 전달 과정을 풀어내는 것은 우주의 주요 미스터리를 해결하는 데 매우 중요합니다.”
저널 참조 :
- Chuanfei Dong et al. 자기유체역학적 난류에서 재연결에 의한 에너지 캐스케이드. 과학의 발전. DOI : 10.1126/sciadv.abn7627
