Быстрые магнитные взрывы в космосе: объяснение тайны быстрого магнитного пересоединения

 Исследователи определяют физику, которая делает возможными быстрые магнитные взрывы в космосе.

Когда линии магнитного поля противоположных направлений сливаются, они создают взрывы, которые могут высвободить огромное количество энергии. Слияние противоположных силовых линий на Солнце создает солнечные вспышки и корональные выбросы массы, представляющие собой массивные выбросы энергии, которые могут добраться до Земли менее чем за сутки.

Хотя общая механика магнитного пересоединения хорошо изучена, исследователи уже более полувека пытаются объяснить точную физику происходящего быстрого высвобождения энергии.

Новое исследование Дартмута, опубликованное вчера (28 апреля 2022 г.) в журнале Communications Physics, дает первое теоретическое описание того, как явление, известное как «эффект Холла», определяет эффективность магнитного пересоединения.

«Скорость, с которой линии магнитного поля воссоединяются, имеет чрезвычайно важное значение для процессов в космосе, которые могут повлиять на Землю», — сказал Йи-Синь Лю, доцент кафедры физики и астрономии Дартмутского университета. «После десятилетий усилий у нас теперь есть полная теория для решения этой давней проблемы».

Магнитное пересоединение существует повсюду в природе в плазме, четвертом состоянии материи, которое заполняет большую часть видимой Вселенной. Повторное соединение происходит, когда силовые линии магнитного поля противоположных направлений притягиваются друг к другу, разрываются, воссоединяются, а затем резко отрываются.

В случае магнитного пересоединения разрыв магнитных линий вытесняет намагниченную плазму с большими скоростями. Энергия создается и перемещается в плазму за счет силы натяжения, подобной той, которая выбрасывает предметы из рогаток.

Дартмутское исследование было сосредоточено на проблеме скорости повторного соединения, ключевого компонента магнитного повторного соединения, который описывает скорость действия, при котором магнитные линии сходятся и расходятся.

Предыдущие исследования показали, что эффект Холла — взаимодействие между электрическими токами и окружающими их магнитными полями — создает условия для быстрого магнитного пересоединения. Но до сих пор исследователи не могли объяснить детали того, как именно эффект Холла увеличивает скорость повторного соединения.

Теоретическое исследование Дартмута демонстрирует, что эффект Холла подавляет преобразование энергии магнитного поля в частицы плазмы. Это ограничивает величину давления в точке, где они сливаются, заставляя линии магнитного поля искривляться и сжиматься, что приводит к открытой геометрии оттока, необходимой для ускорения процесса повторного соединения.

«Эта теория решает важную загадку того, почему и как эффект Холла так быстро восстанавливает связь», — сказал Лю, который является заместителем руководителя группы теории и моделирования в многомасштабной магнитосферной миссии НАСА (MMS). «С помощью этого исследования мы также объяснили взрывной процесс высвобождения магнитной энергии, который является фундаментальным и повсеместным в естественной плазме».

Новая теория может способствовать техническому пониманию солнечных вспышек и выбросов корональной массы, которые вызывают космическую погоду и электрические возмущения на Земле. Помимо использования скорости пересоединения для оценки временных масштабов солнечных вспышек, ее также можно использовать для определения интенсивности геомагнитных суббурь и взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли.

Исследовательская группа, финансируемая Национальным научным фондом (NSF) и НАСА, работает вместе с многомасштабной магнитосферной миссией НАСА для анализа магнитного пересоединения в природе. Данные с четырех спутников, летящих плотным строем вокруг магнитосферы Земли в рамках миссии НАСА, будут использоваться для проверки теоретического открытия Дартмута.

«Эта работа демонстрирует, что понимание фундаментальной теории, подкрепленное возможностями моделирования, может способствовать научным открытиям», — сказал Вячеслав Лукин, программный директор по физике плазмы в NSF. «Технологические и социальные последствия этих результатов интригуют, поскольку они могут помочь предсказать влияние космической погоды на электросеть, разработать новые источники энергии и исследовать новые технологии космических двигателей».

Новое исследование может также помочь в исследованиях пересоединения в магнитных термоядерных устройствах и астрофизической плазме вблизи нейтронных звезд и черных дыр. Хотя в настоящее время нет прикладного применения, некоторые исследователи рассматривали возможность использования магнитного пересоединения в двигателях космических кораблей.

Ссылка: «Теория первых принципов скорости магнитного пересоединения в магнитосферной и солнечной плазме» Йи-Синь Лю, Пол Кассак, Сяокан Ли, Майкл Хессе, Шан-Чанг Лин и Кевин Дженестрети, 28 апреля 2022 г., Communications Physics.

DOI: 10.1038/s42005-022-00854-х

Эта работа финансируется отделами PHY и AGS NSF, миссией NASA Magnetospheric Multiscale (MMS) и Министерством энергетики США.

Соавторы исследования: Пол Кассак, Университет Западной Вирджинии; Сяокан Ли, Дартмут; Майкл Хессе, Исследовательский центр Эймса НАСА; Шан-Чанг Лин, Дартмут; и Кевин Дженестрети, Юго-Западный научно-исследовательский институт.

Источник