Jako na Zemi, tak i ve vesmíru. Mise čtyř družic, která studuje magnetické přepojování – rozbití a explozivní přepojení magnetických siločar v plazmatu, ke kterému dochází v celém vesmíru – zjistila, že klíčové aspekty procesu ve vesmíru jsou nápadně podobné těm, které byly nalezeny v experimentech na Laboratoř fyziky plazmatu v Princetonu (PPPL) amerického ministerstva energetiky (DOE). Podobnosti ukazují, jak se studie vzájemně doplňují: Laboratoř zachycuje důležité globální rysy opětovného připojení a kosmická loď dokumentuje místní klíčové vlastnosti tak, jak k nim dochází.
Pozorování uskutečněná misí Magnetospheric Multiscale Satellite (MMS), kterou NASA zahájila v roce 2015 za účelem studia opětovného propojení v magnetickém poli, které obklopuje Zemi, docela dobře korespondují s minulými i současnými laboratorními výsledky experimentu Magnetic Reconnection (MRX) ve společnosti PPPL. Předchozí výzkum MRX odhalil proces, při kterém dochází k rychlému opětovnému připojení, a identifikoval množství magnetické energie, která se během procesu přeměňuje na energii částic, což vede k polárním světlům, slunečním erupcím a geomagnetickým bouřím, které mohou narušit službu mobilních telefonů a vypnout napájení mřížky a poškození satelitů na oběžné dráze.
Pokyny pro měření MMS
Předchozí nálezy MRX sloužily jako vodítko pro měření prováděná misí MMS, která se snaží porozumět oblasti, ve které dochází k opětovnému propojení siločar v plazmatu - stav hmoty složené z volných elektronů a atomových jader neboli iontů - koná se. Nejnovější experimenty PPPL rozšiřují zjištění o nové oblasti shody. "Navzdory obrovským rozdílům ve velikosti spojovacích vrstev v MRX a ve vesmíru jsou u obou pozorovány pozoruhodně podobné charakteristiky," řekl Masaaki Yamada, hlavní výzkumník na MRX a hlavní autor nedávného článku, který o výsledcích informoval v prosinci. 6. vydání Nature Communications.
Minulý laboratorní výzkum zkoumal „symetrické“opětovné připojení, ve kterém je hustota plazmatu na každé straně oblastí opětovného připojení zhruba stejná. Nový článek se zabývá opětovným připojením v magnetopauze - vnější oblasti magnetosféry - a v MRX, které je "asymetrické", což znamená, že plazma na jedné straně oblasti je nejméně 10krát hustší než na druhé. Mise MMS zaměřila svůj počáteční výzkum na asymetrický aspekt opětovného spojení, protože plazma ve slunečním větru - nabité částice proudící ze slunce - je mnohem hustší než plazma v magnetosféře.
V novém článku vědci zkoumají to, čemu se říká „dvoukapalinová“fyzika opětovného spojení, která popisuje každé chování iontů a elektronů během procesu odlišně. Taková fyzika dominuje magnetickému opětovnému propojení v systémech MRX i magnetosférických plazmových systémech, což umožňuje bezprecedentní úroveň křížového zkoumání mezi laboratorními měřeními a pozorováním vesmíru.
Klíčová zjištění
Následují klíčové závěry dvoutekutého, asymetrického výzkumu na MRX, který se ukázal být v pozoruhodné shodě s měřením chování elektronů a iontů vesmírnými družicemi a přeměnou magnetické energie na energii částic. Počítačové simulace pomohly k těmto zjištěním:
- Elektrony. Experimenty ukázaly, že proud elektronů teče kolmo k magnetickému poli a ne paralelně, jak se kdysi myslelo. Tento tok je klíčový pro přeměnu magnetické energie v elektronech, ke které dochází v úzké hraniční vrstvě zvané „oblast elektronové difúze“, kde dochází k rychlému opětovnému spojení. Zjištění je v souladu s nedávnými měřeními prostoru MMS a je nové v laboratoři pro asymetrické opětovné připojení.
- Ionty. Iontový proud také protéká kolmo k magnetickému poli jako v případě elektronů a je rovněž klíčový pro přeměnu magnetické energie iontů na energii částic. U iontů k této přeměně dochází v širší „oblasti difúze iontů“mezi konvergujícími plazmami a je podobně nedávným zjištěním o asymetrickém opětovném spojení v laboratorních plazmatech.
Experimenty MRX dále studovaly různé aspekty konverze v symetrických a asymetrických případech. Při symetrickém opětovném připojení bylo dříve zjištěno, že 50 procent magnetické energie se přemění na ionty a elektrony, přičemž jedna třetina přeměny ovlivňuje elektrony a dvě třetiny urychlují ionty. Celková míra přeměny zůstává v asymetrickém případě zhruba stejná, stejně jako poměr přeměny energie pro ionty a elektrony.
