Ученые объясняют, почему взрывные, разрушительные магнитные пересоединения происходят так загадочно часто.
99% Вселенной, как полагают, состоит из плазмы, горячего ионизированного газа, состоящего в равной степени из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Его считают четвертым состоянием материи, потому что оно ведет себя не так, как все остальное: оно электрически заряжено, реагирует на внешние магнитные поля и содержит свои собственные магнитные поля. Когда силовые линии магнитного поля в плазме сходятся, расходятся и снова соединяются, они производят взрывные выбросы энергии в процессе, называемом «повторное соединение». Это приводит к солнечным вспышкам, северному и южному сиянию и космическим гамма-всплескам.
Но переподключение происходит намного быстрее и чаще, чем предполагает наше понимание, что мешает экспериментам по термоядерному синтезу в реакторах магнитного удержания токамака, устройствах, использующих магнетизм для синтеза водородной плазмы в гелий. Когда пересоединения вызывают внезапное смещение полей, часто становится невозможным удерживать плазму на месте. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) опубликовали книгу «Физика плазмы», в которой подробно объясняется, почему происходят все эти быстрые повторные соединения.
Первоначально считалось, что плазма существует только в виде больших вытянутых слоев, длинные силовые линии магнитного поля которых не перемещаются так быстро, что делает наблюдаемые быстрые повторные соединения озадачивающими. Ученые изучают «нестабильность плазмоида» и то, как магнитное поле листов может разбиваться на более мелкие магнитные острова, называемые «плазмоидами».«Было высказано предположение, что, поскольку плазмоиды принимают форму в различных магнитных ориентациях, они могут производить загадочные повторные соединения, но как это могло произойти, было неясно.
Лука Комиссо, ведущий автор книги PPPL «Физика плазмы», говорит, что исследование, наконец, предлагает «количественную теорию развития плазмоидной нестабильности в плазменных токовых слоях, которая может развиваться во времени».
Комиссо и его сотрудники - Манасви Лингам, Йи-Минг Хуанг и Амитава Бхаттачарджи - применили «принцип наименьшего времени» математика XVII века Пьера де Ферма для вывода уравнений, которые осветили бы «жизненный цикл». если хотите, о плазмоидной нестабильности: они обнаружили, что она начинается медленно линейным образом, останавливается в состоянии покоя и, наконец, ускоряется до взрывного размножения плазмоидов, что приводит к соответствующему и резкому увеличению скорости повторных соединений.
Команда PPPL также обнаружила, как ни странно, что нестабильность плазмоида не подчиняется стандартному степенному закону физики, согласно которому изменение его интенсивности не приводит к соответствующему изменению выходной мощности. В «Физике науки» делается вывод: «Во всех областях науки принято искать существование степенных законов, несмотря на то, что они иногда по своей сути упрощены. Напротив, мы обнаружили, что скейлинговые соотношения нестабильности плазмоида не являются истинными степенными законами - результат, который ранее никогда не выводился и не предсказывался».
Итак, хотя ученые до сих пор не знают, почему возникает плазмоидная нестабильность, вызывающая эти шквал переподключений, теперь они понимают, как это происходит. Это важный первый шаг в обучении предсказанию солнечных вспышек и вспышек гамма-излучения, а также в освоении магнитных полей токамака-реактора при разработке термоядерной энергии.