Магнитные силы пульсируют по всей Вселенной, от полей, окружающих планеты, до газов, заполняющих галактики, и могут быть вызваны явлением, называемым эффектом батареи Бирмана. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что это явление может не только генерировать магнитные поля, но и разъединять их, вызывая магнитное повторное соединение - замечательное и удивительное открытие.
Эффект батареи Бирмана, возможный источник магнитных полей, пронизывающих нашу Вселенную, возникает в плазме - состоянии материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер - когда температура и плотность плазмы не совпадают. Вершины такой плазмы могут быть более горячими, чем нижние, и плотность может быть больше с левой стороны, чем с правой. Это смещение приводит к возникновению электродвижущей силы, которая генерирует ток, который приводит к магнитным полям. Процесс назван в честь Людвига Бирмана, немецкого астрофизика, открывшего его в 1950 году.
Выявлено с помощью компьютерного моделирования
Новые результаты показывают с помощью компьютерного моделирования ранее неизвестную роль эффекта Бирмана, который может улучшить понимание повторного соединения - разрыва и резкого повторного соединения силовых линий магнитного поля в плазме, которое вызывает северное сияние, солнечные вспышки и геомагнитные явления. космические бури, которые могут нарушить работу сотовой связи и электрических сетей на Земле.
Результаты «обеспечивают новую платформу для воспроизведения в лаборатории повторного соединения, наблюдаемого в астрофизической плазме», - сказал Джексон Маттеуччи, аспирант программы по физике плазмы в PPPL и ведущий автор описания процесса в Письма о физическом обзоре. Соавторами статьи являются его научные руководители Уилл Фокс из PPPL и Амитава Бхаттачарджи, руководитель отдела теории PPPL, а также исследователи из других лабораторий.
Моделирование смоделировало опубликованные результаты экспериментов в Китае, в которых изучалась плазма с высокой плотностью энергии (HED) - вещество, находящееся под экстремальным давлением, которое существует в ядре Земли. В экспериментах, в которых PPPL не играл роли, использовались лазеры для взрыва пары плазменных пузырей из твердой металлической мишени. Моделирование трехмерной плазмы отслеживало расширение пузырьков и магнитных полей, созданных эффектом Бирмана, и отслеживало столкновение полей, вызывающее магнитное пересоединение..
Моделирование показало, что температура резко возросла в линиях поля, вновь соединяющихся между собой, и изменила роль эффекта Бирмана, породившего эти линии. Из-за всплеска эффект Бирмана разрушил созданные им силовые линии магнитного поля, разрезав их, как ножницы разрезают резиновую ленту. Затем нарезанные поля снова соединялись вниз по течению, вдали от исходной точки повторного соединения. «Это первая симуляция, показывающая магнитное пересоединение, опосредованное Бирманом», - сказал Маттеуччи. «Этот процесс никогда не был известен раньше».
Отслеживание миллиардов ионов и электронов
Моделирование экспериментов HED требовало отслеживания миллиардов ионов и электронов, взаимодействующих друг с другом, а также с электрическими и магнитными полями, создаваемыми их движением, в так называемом трехмерном кинетическом моделировании. Исследователи выполнили эти симуляции на суперкомпьютере Titan в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США..
С тех пор ученые смоделировали британский эксперимент и работают над моделированием экспериментов, проведенных в Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Университета Рочестера и в Национальном центре зажигания в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.