Beskrivning
Under flyktiga anfall slungar solen emellanåt en kolossal mängd energi ut i rymden. Dessa utbrott, som kallas solutbrott, varar i bara minuter, och de kan utlösa katastrofala strömavbrott och bländande norrsken på jorden. Men våra ledande matematiska teorier om hur dessa bloss fungerar misslyckas med att förutsäga styrkan och hastigheten på det vi observerar.
Kärnan i dessa utbrott är en mekanism som omvandlar magnetisk energi till kraftfulla explosioner av ljus och partiklar. Denna omvandling katalyseras av en process som kallas magnetisk återkoppling, där kolliderande magnetiska fält bryts och omedelbart riktas om, slingshotting material i kosmos. Förutom att driva solfacklor kan återanslutning driva den snabba, högenergipartiklar kastas ut av exploderande stjärnor, skenet av jets från festande svarta hål, Och den konstant vind blåst av solen.
Trots fenomenets allestädes närvarande har forskare kämpat för att förstå hur det fungerar så effektivt. A senaste teorin föreslår att när det gäller att lösa mysterierna med magnetisk återkoppling spelar liten fysik en stor roll. I synnerhet förklarar det varför vissa återkopplingshändelser är så förbluffande snabba - och varför de starkaste verkar inträffa med en karakteristisk hastighet. Att förstå de mikrofysiska detaljerna för återkoppling kan hjälpa forskare att bygga bättre modeller av dessa energiska utbrott och förstå kosmiska raserianfall.
"Än så länge är det här den bästa teorin jag kan se," sa Hantao Ji, en plasmafysiker vid Princeton University som inte var involverad i studien. "Det är en stor prestation."
Famlande Med Vätskor
Nästan all känd materia i universum finns i form av plasma, en eldig soppa av gas där infernaliska temperaturer har skalat ner atomer till laddade partiklar. När de glider runt, genererar dessa partiklar magnetiska fält, som sedan styr partiklarnas rörelser. Denna kaotiska interaktion knyter ihop en förvrängd röra av magnetfältslinjer som, som gummiband, lagrar mer och mer energi när de sträcks och vrids.
På 1950-talet föreslog forskare en förklaring till hur plasma sprutar ut sin uppdämda energi, en process som kom att kallas magnetisk återkoppling. När magnetfältslinjer som pekar i motsatta riktningar kolliderar, kan de snäppa och korsförbindas och skjuta upp partiklar som en dubbelsidig slangbella.
Men denna idé låg närmare en abstrakt målning än en komplett matematisk modell. Forskare ville förstå detaljerna om hur processen fungerar - händelserna som påverkar klippningen, anledningen till att så mycket energi släpps lös. Men det röriga samspelet mellan het gas, laddade partiklar och magnetfält är knepigt att tämja matematiskt.
Den första kvantitativa Teorin, som beskrevs 1957 av astrofysikerna Peter Sweet och Eugene Parker, behandlar plasma som magnetiserade vätskor. Det tyder på att kollisioner av motsatt laddade partiklar drar in magnetfältslinjer och sätter igång en skenande kedja av återkopplingshändelser. Deras teori förutspår också att denna process sker i en viss takt. Återanslutningshastigheterna som observeras i relativt svaga, laboratoriesmidda plasma matchar deras förutsägelse, liksom hastigheterna för mindre jetstrålar i de lägre lagren av solens atmosfär.
Men solflammor frigör energi mycket snabbare än vad Sweet och Parkers teori kan redogöra för. Enligt deras beräkningar borde dessa bloss utvecklas över månader snarare än minuter.
På senare tid, observationer från NASA magnetosfäriska satelliter identifierade denna snabbare återuppkoppling som sker ännu närmare hemmet, i jordens eget magnetfält. Dessa observationer, tillsammans med bevis från årtionden av datorsimuleringar, bekräftar denna "snabba" återkopplingshastighet: I mer energifyllda plasma sker återanslutningen med ungefär 10 % av den hastighet med vilken magnetfält utbreder sig - storleksordningar snabbare än Sweet och Parkers teori förutsäger .
10% återkopplingsfrekvens observeras så universellt att många forskare anser att det är "Guds givna antal", sa Alisa Galishnikova, en forskare vid Princeton. Men att åberopa det gudomliga förklarar inte mycket vad som gör återanslutningen så snabb.
Guds nummer
På 1990-talet vände sig fysiker bort från att behandla plasma som vätskor, vilket hade visat sig vara för förenklat. Zoomad in, en magnetiserad soppa består verkligen av enskilda partiklar. Och hur dessa partiklar interagerar med varandra gör en avgörande skillnad.
"När du kommer till mikrovågen börjar vätskebeskrivningen att brytas ner," sa Amitava Bhattacharjee, en plasmafysiker vid Princeton. "Den [mikrofysiska] bilden har saker i sig som den flytande bilden aldrig kan fånga."
Under de senaste två decennierna har fysiker misstänkt att ett elektromagnetiskt fenomen som kallas Hall-effekten kan hålla hemligheten bakom snabb återkoppling: Negativt laddade elektroner och positivt laddade joner har olika massor, så de färdas längs magnetfältslinjer med olika hastigheter. Den hastighetsskillnaden genererar en spänning mellan de separerade laddningarna.
2001, Bhattacharjee och hans kollegor visade att endast modeller som inkluderade Hall-effekten gav lämpligt snabba återkopplingshastigheter. Men exakt hur den spänningen producerade de magiska 10% förblev ett mysterium. "Det visade oss inte 'hur' och 'varför'," sa Yi-Hsin Liu, en plasmafysiker vid Dartmouth College.
Beskrivning
Nu, i två nyligen publicerade teoretiska artiklar, har Liu och kollegor försökt fylla i detaljerna.
Smakämnen första papperet, publicerad i Kommunikationsfysik, beskriver hur spänningen inducerar ett magnetfält som drar bort elektroner från mitten av de två kolliderande magnetiska områdena. Den avledningen producerar ett vakuum som suger in nya fältlinjer och klämmer dem i mitten, vilket gör att den magnetiska slangbellan kan bildas snabbare.
"Den bilden missades ... [men] den stirrade på oss i ansiktet," sa Jim Drake, en plasmafysiker vid University of Maryland. "Detta är det första övertygande argumentet jag någonsin sett."
I andra papperet, publicerad i Fysiska granskningsbrev, beskriver Liu och hans forskarassistent Matthew Goodbred hur samma vakuumeffekt uppstår i extrema plasma som innehåller olika ingredienser. Runt svarta hål, till exempel, tros plasman bestå av elektroner och lika massiva positroner, så Hall-effekten gäller inte längre. Ändå, "magiskt, fungerar återanslutning fortfarande på ett liknande sätt," sa Liu. Forskarna föreslår att inom dessa starkare magnetfält går det mesta av energin till att accelerera partiklar snarare än att värma dem - återigen skapar en tryckutarmning som ger den gudomliga 10%-hastigheten.
"Det är en stor milstolpe teoretiskt", sa Lorenzo Sironi, en teoretisk astrofysiker vid Columbia University som arbetar med datorsimuleringar av högenergiplasmastrålar. "Detta ger oss förtroende ... att det vi ser i våra simuleringar inte är galet."
Plocka partiklar
Forskare kan inte modellera varje enskild partikel i storskaliga plasmasimuleringar. Att göra det skulle producera miljarder terabyte data och ta hundratals år att slutföra, även med de mest avancerade superdatorerna. Men forskare kom nyligen på hur man behandlar ett så ohanterligt system som en mindre, mer hanterbar uppsättning partiklar.
För att undersöka vikten av att överväga enskilda partiklar, jämförde Galishnikova och kollegor två simuleringar av ett ackreterande svart hål - en behandlade plasman som en homogen vätska och den andra kastade ungefär en miljard partiklar i blandningen. Deras resultat, publicerad i mars i Fysiska granskningsbrev, visar att inkorporering av mikrofysik leder till distinkt olika bilder av ett svart håls utbrott, partikelaccelerationer och variationer i ljusstyrka.
Nu hoppas forskare att teoretiska framsteg som Lius kommer att leda till modeller för magnetisk återkoppling som mer exakt återspeglar naturen. Men medan hans teori syftar till att lösa problemet med återkopplingshastighet, förklarar den inte varför vissa fältlinjer kolliderar och utlöser återkoppling men inte andra. Den beskriver inte heller hur den utströmmande energin delas upp i strålar, värme och kosmiska strålar - eller hur något av detta fungerar i tre dimensioner och i större skalor. Ändå visar Lius arbete hur magnetisk återkoppling under rätt omständigheter kan vara tillräckligt effektiv för att driva tillfälliga men våldsamma himmelska utbrott.
"Du måste svara på frågan 'varför' - det är en avgörande del av att gå vidare med vetenskapen," sa Drake. "Att ha förtroende för att vi förstår mekanismen ger oss en mycket bättre förmåga att försöka ta reda på vad som händer."
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
- Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
- Källa: https://www.quantamagazine.org/the-tiny-physics-behind-immense-cosmic-eruptions-20230515/
- : har
- :är
- :inte
- :var
- ][s
- $UPP
- 2001
- a
- förmåga
- SAMMANDRAG
- accelererande
- Konto
- exakt
- uppnåendet
- Dessutom
- avancerat
- framsteg
- igen
- Syftet
- Alla
- tillåta
- längs
- också
- mängd
- an
- och
- Annan
- svara
- vilken som helst
- lämpligt
- ÄR
- Argumentet
- runt
- AS
- Assistent
- At
- Atmosfär
- försökte
- bort
- BE
- bakom
- BÄST
- Bättre
- mellan
- Stor
- Miljarder
- miljarder
- Svart
- Black Hole
- svarta hål
- Ha sönder
- Breaking
- SLUTRESULTAT
- men
- by
- beräkningar
- kallas
- kom
- KAN
- fånga
- katastrofal
- Centrum
- kedja
- karakteristiska
- laddad
- avgifter
- omständigheter
- närmare
- kollegor
- College
- Kollidera
- COLUMBIA
- kommer
- jämfört
- fullborda
- dator
- förtroende
- Bekräfta
- Tänk
- med tanke på
- Kosmiska strålar
- Cosmos
- kunde
- galet
- Skapa
- avgörande
- datum
- årtionden
- beskriva
- beskriven
- beskrivning
- detaljer
- DID
- Skillnaden
- olika
- dimensioner
- Vidarekoppling
- do
- gör
- inte
- gör
- ner
- dra
- drar
- driv
- varje
- jord
- effekt
- effektiv
- effektivt
- elektroner
- framträder
- energi
- tillräckligt
- lika
- Även
- händelser
- NÅGONSIN
- bevis
- exempel
- finns
- Förklara
- Förklarar
- förklaring
- extrem
- Ansikte
- MISSLYCKAS
- långt
- SNABB
- snabbare
- fält
- Fält
- Figur
- figured
- fylla
- Förnamn
- vätska
- För
- formen
- Framåt
- från
- GAS
- generera
- genererar
- skaffa sig
- ges
- ger
- kommer
- styra
- hade
- Hall
- Happening
- Har
- Hjärta
- hjälpa
- hans
- hålla
- Hål
- Hål
- Hem
- hoppas
- HET
- Hur ser din drömresa ut
- How To
- html
- http
- HTTPS
- Hundratals
- i
- Tanken
- identifierade
- enorma
- vikt
- in
- ingår
- införlivande
- individuellt
- påverka
- Omedelbart
- interagera
- interaktion
- in
- undersöka
- involverade
- IT
- Jets
- känd
- storskalig
- större
- Efternamn
- lansera
- skikt
- leda
- ledande
- Leads
- ljus
- tycka om
- rader
- liten
- längre
- lägre
- gjord
- magasinet
- Magnetiskt fält
- magnetisk återkoppling
- större
- göra
- GÖR
- Framställning
- många
- Mars
- Maryland
- massorna
- massiv
- Match
- Materialet
- matematisk
- matematiskt
- Materia
- Matthew
- Maj..
- mekanism
- bara
- kanske
- milstolpe
- minuter
- modell
- modeller
- månader
- mer
- mest
- rörelser
- rörliga
- mycket
- Mystery
- Nasa
- Natur
- negativt
- aldrig
- Nya
- Nej
- antal
- observera
- of
- sänkt
- on
- ONE
- endast
- motsatt
- or
- ordrar
- Övriga
- Övrigt
- vår
- ut
- över
- egen
- målning
- papper
- del
- särskilt
- Tidigare
- Peter
- Fenomenet
- PHP
- Fysik
- Bild
- Bilder
- Plasma
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- spelar
- kraft
- den mäktigaste
- Strömförsörjning
- exakt
- förutse
- förutsägelse
- Förutspår
- tryck
- Problem
- process
- producera
- producerad
- föreslå
- föreslagen
- föreslår
- publicerade
- Quantamagazin
- kvantitativ
- fråga
- snabbt
- Betygsätta
- rates
- snarare
- verkligen
- Anledningen
- nyligen
- återanslutning
- reflektera
- regioner
- relativt
- frigöra
- förblev
- forskning
- forskaren
- forskare
- översyn
- höger
- Roll
- ungefär
- Nämnda
- Samma
- skalor
- Vetenskap
- vetenskapsmän
- Secret
- se
- se
- verka
- sett
- känsla
- in
- bosätta sig
- skall
- show
- Visar
- liknande
- mindre
- snap
- So
- sol-
- Lösa
- några
- Utrymme
- fart
- hastigheter
- spent
- Stjärnor
- startar
- Fortfarande
- lagra
- hållfasthet
- starkare
- Läsa på
- sådana
- Föreslår
- sol
- söt
- system
- Ta
- än
- den där
- Smakämnen
- deras
- Dem
- sedan
- teoretiska
- Teorin
- Dessa
- de
- saker
- detta
- de
- trodde
- tre
- till
- alltför
- Transformation
- färdas
- behandla
- behandling
- utlösa
- prova
- vände
- två
- under
- förstå
- förståelse
- Universum
- universitet
- us
- med hjälp av
- Vakuum
- Spänning
- ville
- var
- Sätt..
- we
- webp
- Vad
- när
- som
- medan
- VEM
- varför
- kommer
- med
- inom
- Arbete
- arbetssätt
- fungerar
- skulle
- år
- ännu
- gav
- utbyten
- Om er
- zephyrnet
- Postnummer