Введение
Во время мимолетных припадков солнце иногда выбрасывает в космос колоссальное количество энергии. Эти вспышки, называемые солнечными вспышками, длятся всего несколько минут и могут вызывать катастрофические отключения электроэнергии и ослепительные полярные сияния на Земле. Но наши ведущие математические теории того, как работают эти вспышки, не могут предсказать силу и скорость того, что мы наблюдаем.
В основе этих вспышек лежит механизм, преобразующий магнитную энергию в мощные взрывы света и частиц. Это преобразование катализируется процессом, называемым магнитным пересоединением, в котором сталкивающиеся магнитные поля разрываются и мгновенно перестраиваются, выбрасывая материю в космос. В дополнение к питанию солнечных вспышек, повторное подключение может привести в действие скоростное, высокоэнергетические частицы выбрасываемое взорвавшимися звездами, свечение струи пирующих черных дыр, и постоянный ветер продувается солнцем.
Несмотря на повсеместное распространение этого явления, ученые изо всех сил пытались понять, как оно работает так эффективно. А недавняя теория предполагает, что когда дело доходит до разгадки тайн магнитного пересоединения, крошечная физика играет большую роль. В частности, это объясняет, почему некоторые события повторного соединения происходят так ошеломляюще быстро — и почему самые сильные, кажется, происходят с характерной скоростью. Понимание микрофизических деталей воссоединения может помочь исследователям построить более совершенные модели этих энергетических извержений и разобраться в космических истериках.
«Пока что это лучшая теория, которую я вижу», — сказал Хантао Цзи, физик плазмы из Принстонского университета, не участвовавший в исследовании. «Это большое достижение».
возиться с жидкостями
Почти вся известная материя во Вселенной существует в виде плазма, огненный суп из газа, в котором адские температуры превратили атомы в заряженные частицы. Когда они перемещаются, эти частицы генерируют магнитные поля, которые затем направляют движения частиц. Это хаотичное взаимодействие спутывает беспорядочные линии магнитного поля, которые, подобно резиновым лентам, накапливают все больше и больше энергии по мере того, как их растягивают и скручивают.
В 1950-х годах ученые предложили объяснение того, как плазма выбрасывает накопившуюся энергию, процесс, который стал называться магнитным пересоединением. Когда силовые линии магнитного поля, направленные в противоположные стороны, сталкиваются, они могут замыкаться и пересекаться, запуская частицы, как двустороннюю рогатку.
Но эта идея была ближе к абстрактной живописи, чем к законченной математической модели. Ученые хотели понять детали того, как работает этот процесс — события, влияющие на щелчок, причину, по которой высвобождается так много энергии. Но беспорядочное взаимодействие горячего газа, заряженных частиц и магнитных полей сложно укротить математически.
Первый количественный теория, описанный в 1957 году астрофизиками Питером Суитом и Юджином Паркером, рассматривает плазму как намагниченную жидкость. Это предполагает, что столкновения противоположно заряженных частиц стягивают силовые линии магнитного поля и запускают неуправляемую цепочку воссоединений. Их теория также предсказывает, что этот процесс происходит с определенной скоростью. Скорость повторного соединения, наблюдаемая в относительно слабой лабораторной плазме, соответствует их предсказанию, как и скорость для меньших джетов в нижних слоях солнечной атмосферы.
Но солнечные вспышки высвобождают энергию гораздо быстрее, чем это может объяснить теория Свита и Паркера. По их расчетам, эти вспышки должны разворачиваться в течение месяцев, а не минут.
Совсем недавно наблюдения НАСА магнитосферные спутники определили, что это более быстрое воссоединение происходит еще ближе к дому, в собственном магнитном поле Земли. Эти наблюдения, наряду с данными десятилетий компьютерного моделирования, подтверждают эту «быструю» скорость повторного соединения: в более энергичной плазме повторное соединение происходит примерно на 10% скорости, с которой распространяются магнитные поля, — на порядки быстрее, чем предсказывает теория Свита и Паркера. .
10-процентный показатель повторного подключения наблюдается настолько повсеместно, что многие ученые считают его «данным Богом числом», — сказал он. Алиса Галишникова, научный сотрудник Принстона. Но обращение к божественному мало что объясняет, почему воссоединение происходит так быстро.
Число Бога
В 1990-х годах физики отказались от трактовки плазмы как жидкости, что оказалось слишком упрощенным. При увеличении намагниченный суп действительно состоит из отдельных частиц. И то, как эти частицы взаимодействуют друг с другом, имеет решающее значение.
«Когда вы добираетесь до микромасштабов, описание жидкости начинает ломаться», — сказал он. Амитава Бхаттачарджи, физик плазмы в Принстоне. «В [микрофизической] картине есть вещи, которые жидкая картина никогда не уловит».
В течение последних двух десятилетий физики подозревали, что электромагнитное явление, известное как эффект Холла, может содержать секрет быстрого воссоединения: отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы имеют разные массы, поэтому они движутся вдоль силовых линий магнитного поля с разной скоростью. Эта разница скоростей создает напряжение между разделенными зарядами.
В 2001 году Бхаттачарджи и его коллеги показал что только модели, включающие эффект Холла, давали достаточно высокие скорости повторного подключения. Но как именно это напряжение произвело волшебные 10%, оставалось загадкой. «Это не показало нам «как» и «почему», — сказал Йи-Синь Лю, физик плазмы в Дартмутском колледже.
Введение
Теперь, в двух недавно опубликованных теоретических статьях, Лю и его коллеги попытались уточнить детали.
Ассоциация первая статья, опубликовано в Физика связи, описывает, как напряжение индуцирует магнитное поле, которое оттягивает электроны от центра двух сталкивающихся магнитных областей. Это отклонение создает вакуум, который всасывает новые силовые линии и зажимает их в центре, позволяя магнитной рогатке формироваться быстрее.
«Эту фотографию пропустили… [но] она смотрела нам в лицо», — сказал Джим Дрейк, физик плазмы из Мэрилендского университета. «Это первый убедительный аргумент, который я когда-либо видел».
В вторая статья, опубликовано в Physical Review Letters,, Лю и его младший научный сотрудник Мэтью Гудбред описывают, как один и тот же эффект вакуума возникает в экстремальной плазме, содержащей разные ингредиенты. Например, считается, что вокруг черных дыр плазма состоит из электронов и позитронов одинаковой массы, поэтому эффект Холла больше не применяется. Тем не менее, «волшебным образом переподключение все еще работает аналогичным образом», — сказал Лю. Исследователи предполагают, что в этих более сильных магнитных полях большая часть энергии тратится на ускорение частиц, а не на их нагрев — снова создавая истощение давления, которое дает божественные 10% скорости.
«Теоретически это важная веха», — сказал Лоренцо Сирони, астрофизик-теоретик из Колумбийского университета, работающий над компьютерным моделированием высокоэнергетических плазменных струй. «Это вселяет в нас уверенность… что то, что мы видим в наших симуляциях, не безумие».
Сбор частиц
Ученые не могут моделировать каждую отдельную частицу в крупномасштабном моделировании плазмы. Для этого потребовались бы миллиарды терабайт данных, и на это ушли бы сотни лет, даже с использованием самых современных суперкомпьютеров. Но недавно исследователи выяснили, как обращаться с такой громоздкой системой как с меньшим, более управляемым набором частиц.
Чтобы исследовать важность учета отдельных частиц, Галишникова и ее коллеги сравнили две модели аккрецирующей черной дыры: в одной плазма рассматривалась как однородная жидкость, а в другой в смесь вбрасывалось примерно миллиард частиц. Их результаты, опубликованный в марте в Physical Review Letters,, показывают, что включение микрофизики приводит к совершенно разным картинам вспышек черной дыры, ускорений частиц и изменений яркости.
Теперь ученые надеются, что теоретические достижения, подобные достижениям Лю, приведут к созданию моделей магнитного пересоединения, более точно отражающих природу. Но хотя его теория направлена на решение проблемы скорости повторного соединения, она не объясняет, почему одни силовые линии сталкиваются и вызывают повторное соединение, а другие нет. Он также не описывает, как вытекающая энергия делится на струи, тепло и космические лучи — или как все это работает в трех измерениях и в более крупных масштабах. Тем не менее, работа Лю показывает, как при правильных обстоятельствах магнитное пересоединение может быть достаточно эффективным, чтобы вызвать эфемерные, но сильные небесные вспышки.
«Вы должны ответить на вопрос «почему» — это важная часть продвижения вперед в науке», — сказал Дрейк. «Уверенность в том, что мы понимаем механизм, дает нам гораздо больше возможностей попытаться выяснить, что происходит».
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
- Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
- Источник: https://www.quantamagazine.org/the-tiny-physics-behind-immense-cosmic-eruptions-20230515/
- :имеет
- :является
- :нет
- :куда
- ][п
- $UP
- 2001
- a
- способность
- АБСТРАКТ НАЯ
- ускоряющий
- Учетная запись
- точно
- достижение
- дополнение
- продвинутый
- авансы
- снова
- Цель
- Все
- Позволяющий
- вдоль
- причислены
- количество
- an
- и
- Другой
- ответ
- любой
- надлежащим образом
- МЫ
- аргумент
- около
- AS
- помощник
- At
- Атмосфера
- попытка
- прочь
- BE
- за
- ЛУЧШЕЕ
- Лучшая
- между
- большой
- миллиард
- миллиарды
- Черный
- Черная дыра
- черных дыр
- Ломать
- Разрыв
- строить
- но
- by
- расчеты
- под названием
- пришел
- CAN
- захватить
- катастрофический
- Центр
- цепь
- характеристика
- заряженный
- расходы
- обстоятельства
- ближе
- коллеги
- Колледж
- сталкиваться
- COLUMBIA
- выходит
- сравненный
- полный
- компьютер
- доверие
- подтвердить
- Рассматривать
- принимая во внимание
- Космические лучи
- Космос
- может
- сумасшедший
- Создающий
- решающее значение
- данным
- десятилетия
- описывать
- описано
- описание
- подробнее
- DID
- разница
- различный
- размеры
- Отвлечение
- do
- приносит
- не
- дело
- вниз
- рисовать
- рисует
- управлять
- каждый
- земля
- эффект
- эффективный
- эффективно
- электронов
- возникает
- энергетика
- достаточно
- одинаково
- Даже
- События
- НИКОГДА
- , поскольку большинство сенаторов
- пример
- существует
- Объяснять
- Объясняет
- объяснение
- экстремальный
- Face
- FAIL
- далеко
- БЫСТРО
- быстрее
- поле
- Поля
- фигура
- фигурный
- заполнять
- First
- жидкость
- Что касается
- форма
- вперед
- от
- ГАЗ
- порождать
- генерирует
- получить
- данный
- дает
- будет
- инструкция
- было
- серый
- Случай
- Есть
- Сердце
- помощь
- его
- держать
- Отверстие
- Отверстия
- Главная
- надежды
- ГОРЯЧИЙ
- Как
- How To
- HTML
- HTTP
- HTTPS
- Сотни
- i
- идея
- идентифицированный
- огромный
- значение
- in
- включены
- включения
- individual
- повлиять
- немедленно
- взаимодействовать
- взаимодействие
- в
- исследовать
- вовлеченный
- IT
- Струи
- известный
- крупномасштабный
- больше
- Фамилия
- запуск
- слоев
- вести
- ведущий
- Лиды
- легкий
- такое как
- линий
- мало
- дольше
- ниже
- сделанный
- журнал
- Магнитное поле
- магнитное переподключение
- основной
- сделать
- ДЕЛАЕТ
- Создание
- многих
- Март
- Мэриленд
- массы
- массивный
- Совпадение
- материала
- математический
- математически
- Вопрос
- Мэтью
- Май..
- механизм
- меров
- может быть
- веха
- Минут
- модель
- Модели
- месяцев
- БОЛЕЕ
- самых
- движения
- перемещение
- много
- Тайна
- НАСА
- природа
- отрицательно
- никогда
- Новые
- нет
- номер
- наблюдать
- of
- от
- on
- ONE
- только
- противоположность
- or
- заказы
- Другое
- Другое
- наши
- внешний
- за
- собственный
- Картина
- бумага
- часть
- особый
- мимо
- Питер
- явление
- PHP
- Физика
- картина
- Картинки
- плазма
- Платон
- Платон Интеллектуальные данные
- ПлатонДанные
- играет
- мощностью
- мощный
- Включение питания
- Точно
- предсказывать
- прогноз
- предсказывает
- давление
- Проблема
- процесс
- производит
- Произведенный
- предлагает
- предложило
- предлагает
- опубликованный
- Квантовый журнал
- количественный
- вопрос
- быстро
- Обменный курс
- Стоимость
- скорее
- на самом деле
- причина
- недавно
- переподключение
- отражать
- районы
- относительно
- освободить
- остались
- исследованиям
- исследователь
- исследователи
- обзоре
- правую
- Роли
- грубо
- Сказал
- то же
- Весы
- Наука
- Ученые
- Secret
- посмотреть
- видя
- казаться
- видел
- смысл
- набор
- урегулировать
- должен
- показывать
- Шоу
- аналогичный
- меньше
- Снэп
- So
- солнечный
- Решение
- некоторые
- Space
- скорость
- скорость
- потраченный
- Звезды
- начинается
- По-прежнему
- магазин
- прочность
- сильнее
- Кабинет
- такие
- Предлагает
- Вс
- сладкий
- система
- взять
- чем
- который
- Ассоциация
- их
- Их
- тогда
- теоретический
- теория
- Эти
- они
- вещи
- этой
- те
- мысль
- три
- в
- слишком
- трансформация
- путешествовать
- лечить
- лечения
- вызвать
- стараться
- Оказалось
- два
- под
- понимать
- понимание
- Вселенная
- Университет
- us
- через
- вакуум
- напряжение
- стремятся
- законопроект
- Путь..
- we
- WebP
- Что
- когда
- который
- в то время как
- КТО
- зачем
- будете
- в
- Работа
- работает
- работает
- бы
- лет
- еще
- дали
- доходность
- Ты
- зефирнет
- ZIP