Ny teori forklarer mystikken bak rask magnetisk gjentilkobling

Når magnetfeltlinjer i motsatte retninger smelter sammen, skaper de eksplosjoner som kan frigjøre enorme mengder energi. På solen forårsaker sammenslåingen av motstående feltlinjer solflammer og koronale masseutkast, gigantiske energiutbrudd som kan reise til jorden i løpet av en dag.

Mens den generelle mekanikken til magnetisk gjenkobling er kjent, har forskere kjempet i over et halvt århundre for å forklare den nøyaktige fysikken bak den raske energifrigjøringen som finner sted.

En ny Dartmouth-studie publisert i Kommunikasjonsfysikk gir den første teoretiske beskrivelsen av hvordan et fenomen kjent som “Hall-effekten” bestemmer effektiviteten til magnetisk gjenoppkobling.

“Hastigheten med hvilken magnetfeltlinjer kobles sammen igjen er av ekstrem betydning for prosesser i verdensrommet som kan påvirke jorden,” sa Yi-Hsin Liu, assisterende professor i fysikk og astronomi ved Dartmouth. “Etter tiår med innsats har vi nå en fullstendig teori for å løse dette langvarige problemet.”

Magnetisk gjenkobling eksisterer i hele naturen i plasmaer, den fjerde tilstanden av materie som fyller det meste av det synlige universet. Gjenkobling finner sted når magnetiske feltlinjer i motsatte retninger trekkes til hverandre, brytes fra hverandre, går sammen igjen og deretter knipser voldsomt bort.

Ved magnetisk gjentilkobling tvinger knipsingen av magnetiske linjer ut magnetisert plasma med høye hastigheter. Energien skapes og forflyttes til plasmaer gjennom en spenningskraft som den som sender ut gjenstander fra sprettert.

Dartmouth-studien fokuserer på reconnection rate-problemet, nøkkelkomponenten i magnetisk reconnection som beskriver hastigheten på handlingen der magnetiske linjer konvergerer og trekker fra hverandre.

Tidligere forskning fant at Hall-effekten – samspillet mellom elektriske strømmer og magnetfeltene som omgir dem – skaper forholdene for rask magnetisk gjenoppkobling. Men til nå har forskerne ikke klart å forklare detaljene om nøyaktig hvordan Hall-effekten øker gjentilkoblingshastigheten.

Den teoretiske studien fra Dartmouth viser at Hall-effekten undertrykker konverteringen av energi fra magnetfeltet til plasmapartikler. Dette begrenser mengden trykk på punktet der de smelter sammen, og tvinger magnetiske feltlinjer å krumme og klemme, noe som resulterer i åpen utstrømningsgeometri som er nødvendig for å fremskynde gjentilkoblingsprosessen.

“Denne teorien tar for seg det viktige puslespillet om hvorfor og hvordan Hall-effekten gjør gjentilkobling så raskt,” sa Liu, som fungerer som nestleder for teori- og modelleringsteamet for NASAs Magnetospheric Multiscale Mission (MMS). “Med denne forskningen har vi også forklart den eksplosive magnetiske energifrigjøringsprosessen som er grunnleggende og allestedsnærværende i naturlige plasmaer.”

Den nye teorien kan fremme den tekniske forståelsen av solflammer og koronale masseutkastningshendelser som forårsaker romvær og elektriske forstyrrelser på jorden. I tillegg til å bruke gjenkoblingshastigheten for å estimere tidsskalaene til solflammer, kan den også brukes til å bestemme intensiteten til geomagnetiske substormer, og samspillet mellom solvinden og jordens magnetosfære.

Forskerteamet jobber sammen med NASAs Magnetospheric Multiscale Mission for å analysere magnetisk gjenkobling i naturen. Data fra fire satellitter som flyr i tett formasjon rundt jordens magnetosfære som en del av NASA-oppdraget vil bli brukt til å validere Dartmouth-teoretiske funn.

“Dette arbeidet viser at grunnleggende teoriinnsikt forsterket av modelleringsevner kan fremme vitenskapelig oppdagelse,” sa Vyacheslav Lukin, programdirektør for plasmafysikk ved NSF. “De teknologiske og samfunnsmessige implikasjonene av disse resultatene er spennende ettersom de kan bidra til å forutsi virkningene av romvær på elektrisk nettutvikle nye energikilder og utforske nye romfremdriftsteknologier.”

Den nye studien kan også informere om gjenkoblingsstudier i magnetisk innesluttede fusjonsenheter og astrofysiske plasmaer nær nøytronstjerner og sorte hull. Selv om det ikke er nåværende anvendt bruk, har noen forskere vurdert muligheten for å bruke magnetisk gjentilkobling i romfartøy-thrustere.

---

---