Sự nhiễu loạn từ thủy động lực điều chỉnh sự truyền năng lượng từ quy mô lớn đến quy mô nhỏ trong nhiều hệ thống vật lý thiên văn, bao gồm cả khí quyển mặt trời. Trong hơn nửa thế kỷ, người ta đã chấp nhận rộng rãi rằng dòng năng lượng trong các plasma hỗn loạn, chẳng hạn như bầu khí quyển của Mặt trời, được điều khiển bởi các tương tác sóng MHD.
Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học tại Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL) đã phát hiện ra một quy trình làm nóng ẩn trước đây giúp giải thích tại sao “vầng hào quang mặt trời” có thể nóng hơn rất nhiều so với bề mặt mặt trời phát ra nó.
Bằng cách sử dụng 200 triệu giờ máy tính cho mô phỏng lớn nhất từ trước đến nay, các nhà khoa học có thể tiết lộ quá trình này. Mô phỏng số trực tiếp của họ là mô phỏng đầu tiên xác định được cơ chế gia nhiệt này trong không gian 3D.
Chuanfei Dong, nhà vật lý tại PPPL và Đại học Princeton, cho biết: “Các thiết bị kính viễn vọng và tàu vũ trụ hiện tại có thể không có độ phân giải đủ cao để xác định quá trình xảy ra ở quy mô nhỏ.”
Quá trình được gọi là kết nối lại từ tính, phân chia và tái hợp một cách mạnh mẽ từ trường trong plasma – hỗn hợp các electron và hạt nhân nguyên tử tạo nên bầu khí quyển mặt trời – là thành phần bí mật. Nó được chứng minh bằng mô hình của Dong về tốc độ từ trường các đường dây được kết nối lại, chuyển đổi năng lượng hỗn loạn quy mô lớn thành năng lượng bên trong quy mô nhỏ. Do sự chuyển đổi hiệu quả năng lượng hỗn loạn thành năng lượng nhiệt ở quy mô nhỏ, tôn lên được làm nóng một cách hiệu quả.
Đồng nói: “Hãy nghĩ đến việc cho kem vào cà phê. Những giọt kem sẽ sớm trở thành những lọn tóc xoăn và thanh mảnh. Tương tự, từ trường tạo thành những tấm dòng điện mỏng bị vỡ do kết nối lại từ tính. Quá trình này tạo điều kiện cho chuỗi năng lượng từ quy mô lớn đến quy mô nhỏ, làm cho quá trình này hiệu quả hơn trong vầng hào quang mặt trời hỗn loạn hơn những gì chúng ta nghĩ trước đây.”
“Khi quá trình kết nối lại diễn ra chậm trong khi dòng thác hỗn loạn diễn ra nhanh, việc kết nối lại không thể ảnh hưởng đến việc truyền năng lượng giữa các quy mô. Nhưng khi tốc độ kết nối lại trở nên đủ nhanh để vượt quá tốc độ phân tầng truyền thống, thì việc kết nối lại có thể di chuyển phân tầng về quy mô nhỏ hiệu quả hơn.”
“Nó thực hiện điều này bằng cách phá vỡ và nối lại các đường sức từ để tạo ra các chuỗi đường xoắn nhỏ gọi là plasmoid. Điều này làm thay đổi sự hiểu biết về dòng năng lượng hỗn loạn đã được chấp nhận rộng rãi trong hơn nửa thế kỷ. Phát hiện mới liên hệ tốc độ truyền năng lượng với tốc độ của plasmoid phát triển, tăng cường truyền năng lượng từ quy mô lớn đến quy mô nhỏ và làm nóng mạnh quầng hào quang ở quy mô này.”
Phát hiện gần đây nhất cho thấy một chế độ có số Reynolds từ tính giống như vầng hào quang mặt trời lớn chưa từng có. Con số khổng lồ đặc trưng cho tốc độ truyền năng lượng cao của dòng thác hỗn loạn. Việc truyền năng lượng theo hướng tái kết nối sẽ hiệu quả hơn khi số Reynolds từ tính càng tăng.
Mô phỏng này là một trong những loại đã sử dụng hơn 200 triệu CPU máy tính tại cơ sở Siêu máy tính nâng cao (NAS) của NASA.
Nhà vật lý PPPL Amitava Bhattacharjee, giáo sư khoa học vật lý thiên văn của Princeton, người giám sát nghiên cứu, nói, “Thí nghiệm bằng số này lần đầu tiên đã tạo ra bằng chứng không thể tranh cãi về cơ chế được dự đoán về mặt lý thuyết đối với một loạt tầng năng lượng hỗn loạn chưa được khám phá trước đây được điều khiển bởi sự phát triển của các plasmoid.”
“Tác động của phát hiện này trong các hệ vật lý thiên văn ở nhiều quy mô khác nhau có thể được khám phá bằng tàu vũ trụ và kính thiên văn hiện tại và tương lai. Việc giải mã quá trình truyền năng lượng trên các quy mô sẽ rất quan trọng để giải quyết những bí ẩn quan trọng của vũ trụ.”
Tạp chí tham khảo:
- Chuanfei Dong và cộng sự. Dòng năng lượng được điều khiển bởi sự kết nối lại trong nhiễu loạn từ thủy động lực học. Những tiến bộ khoa học. DOI: 10.1126 / sciadv.abn7627
