Загадочный процесс, называемый магнитным пересоединением, вызывает взрывные явления по всей Вселенной, создавая солнечные вспышки и космические бури, которые могут вывести из строя мобильную связь и электрические сети. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) разработали подробный план действий по распутыванию ключевого аспекта этой загадки, которая может углубить понимание работы космоса.
Воссоединение преобразует энергию магнитного поля в выбросы частиц в астрофизической плазме путем разрыва и взрывного повторного соединения силовых линий магнитного поля - процесс, который происходит в так называемых областях диссипации, которые часто намного меньше, чем области, на которые они воздействуют.
Напряженное магнитное поле
«Плазма не любит переподключение», - сказал Хантао Цзи, физик из PPPL и профессор Принстонского университета, который является первым автором статьи, подробно описывающей дорожную карту в Nature Reviews Physics. «Однако пересоединение происходит, когда магнитное поле достаточно напряженное», - сказал он.
"Масштабы диссипации крошечные, тогда как астрофизические масштабы очень велики и могут простираться на миллионы миль. Поиск способа соединить эти масштабы с помощью многомасштабного механизма является ключом к решению головоломки воссоединения."
Дорожная карта описывает роль разработки технологий с многомасштабными возможностями, таких как Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE), недавно установленная совместная установка, которая модернизируется и будет исследовать аспекты магнитного пересоединения, ранее недоступные для лабораторных экспериментов.. В дополнение к этим экспериментам будет проведено моделирование будущих экзафлопсных суперкомпьютеров, которые будут в 10 раз быстрее, чем современные компьютеры.«Мы надеемся, что FLARE и экзафлопсные вычисления будут идти рука об руку», - сказал Джи.
Рабочая теория, предлагаемая дорожной картой PPPL, заключается в том, что множественные плазмоиды или магнитные острова, возникающие в результате пересоединения вдоль длинных плазменных токовых слоев, могут соединять широкий диапазон масштабов. Такие плазмоиды будут более точно соответствовать затронутой области пересоединения, и запланированы многомасштабные лабораторные эксперименты, чтобы обеспечить первые проверки этой теории и оценить конкурирующие гипотезы..
«Exascale позволит нам проводить более достоверные симуляции на основе высокоточных экспериментов FLARE», - сказал физик PPPL Чонсу Ю, соавтор статьи. Увеличенный размер и мощность новой машины - ее диаметр будет вдвое больше, чем у эксперимента по магнитному пересоединению (MRX) размером со спортивный внедорожник, давнего лабораторного эксперимента PPPL - и позволит ученым более точно воспроизвести воссоединение в природе..
«FLARE может получить доступ к более широким астрофизическим режимам, чем MRX, с несколькими точками повторного соединения и измерить геометрию поля во время повторного соединения», - сказал Уильям Дотон, ученый-вычислитель из Лос-Аламосской национальной лаборатории и соавтор статьи.«Понимание этой физики важно для предсказания того, как происходит воссоединение во время солнечных вспышек», - сказал он.
Ключевая проблема
Основной задачей предстоящих экспериментов будет разработка новых диагностических систем с высоким разрешением, свободных от ограничительных предположений. После того, как эти системы будут разработаны, FLARE сможет использовать спутниковые наблюдения, подобные тем, которые были получены в рамках миссии Magnetospheric Multiscale, состоящей из четырех космических аппаратов, запущенных в 2015 году для изучения воссоединения в магнитосфере, магнитном поле, которое окружает Землю.
«Прогресс в понимании многомасштабной физики в решающей степени зависит от инноваций и эффективного внедрения таких диагностических систем в ближайшее десятилетие», - говорится в документе. В новых результатах будут рассмотрены открытые вопросы, в том числе:
• Как именно начинается переподключение?
• Как происходит нагрев и ускорение взрывных частиц плазмы?
• Какую роль играет пересоединение в связанных процессах, таких как турбулентность и космические толчки?
В целом, «В документе излагаются планы по предоставлению всему сообществу космической физики и астрофизики методов решения многомасштабной проблемы», - сказал Ю. Такое решение станет важным шагом на пути к более полному пониманию магнитного пересоединения в больших системах по всей Вселенной.
Поддержку этой работе оказывает Управление науки Министерства энергетики США. В число соавторов входят Джонатан Хара-Альмонте из PPPL, а также Ари Ле и Адам Станьер из Лос-Аламосской национальной лаборатории.