Исследователи обнаружили ранее скрытый процесс нагрева, который помогает объяснить, как атмосфера, окружающая солнце, называемая «солнечной короной», может быть намного горячее, чем солнечная поверхность, которая ее излучает.

Открытие в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) может улучшить решение ряда астрофизических загадок, таких как звездообразование , происхождение крупномасштабных магнитных полей во Вселенной и способность предсказывать эруптивное пространство. погодные явления, которые могут нарушить работу сотовой связи и отключить электросети на Земле. Понимание процесса нагрева также имеет значение для исследований термоядерного синтеза.

Первое четкое трехмерное объяснение

«Наше прямое численное моделирование впервые обеспечивает четкую идентификацию этого механизма нагрева в трехмерном пространстве», — сказал Чуанфэй Донг, физик из PPPL и Принстонского университета, который разоблачил процесс, проведя 200 миллионов часов компьютерного времени для крупнейшего в мире моделирования нагревания. своего рода. «Существующие инструменты телескопов и космических кораблей могут не иметь достаточно высокого разрешения, чтобы идентифицировать процесс, происходящий в малых масштабах», — сказал Донг, который подробно описывает прорыв в журнале Science Advances .

Скрытый ингредиент — это процесс, называемый магнитным пересоединением, который разделяет и яростно снова соединяет магнитные поля в плазме, супе из электронов и атомных ядер, который образует солнечную атмосферу. Моделирование Донга показало, как быстрое повторное соединение силовых линий магнитного поля превращает крупномасштабную турбулентную энергию в небольшую внутреннюю энергию. Как следствие, турбулентная энергия эффективно преобразуется в тепловую энергию на малых масштабах, что приводит к перегреву короны.

«Подумайте о добавлении сливок в кофе», — сказал Донг. «Капли сливок вскоре превращаются в завитки и тонкие завитки. Точно так же магнитные поля образуют тонкие слои электрического тока, которые распадаются из-за магнитного пересоединения . Этот процесс облегчает каскад энергии от крупномасштабного к мелкомасштабному, делая процесс более эффективным. в турбулентной солнечной короне, чем считалось ранее».

По его словам, когда процесс пересоединения медленный, а турбулентный каскад быстрый, пересоединение не может повлиять на передачу энергии между весами. Но когда скорость повторного подключения становится достаточно высокой, чтобы превысить традиционную скорость каскада, повторное подключение может более эффективно перемещать каскад в сторону малых масштабов.

Он делает это, разрывая и соединяя линии магнитного поля , чтобы генерировать цепочки небольших скрученных линий, называемых плазмоидами. Это меняет понимание турбулентного энергетического каскада, которое было широко распространено более полувека, говорится в документе. Новое открытие связывает скорость передачи энергии с тем, как быстро растут плазмоиды, усиливая передачу энергии от больших масштабов к малым и сильно нагревая корону в этих масштабах.

Новое открытие демонстрирует режим с беспрецедентно большим магнитным числом Рейнольдса, как в солнечной короне. Большое число характеризует новую высокую скорость передачи энергии турбулентного каскада. «Чем выше магнитное число Рейнольдса, тем эффективнее передача энергии за счет повторного соединения», — сказал Донг, который переезжает в Бостонский университет, чтобы занять должность преподавателя.

200 миллионов часов

«Chuanfei выполнила крупнейшее в мире моделирование турбулентности такого рода, для чего потребовалось более 200 миллионов компьютерных процессоров [центральных процессоров] в центре NASA Advanced Supercomputing (NAS), — сказал физик PPPL Амитава Бхаттачарджи, профессор астрофизических наук из Принстона, который руководил исследованием. «Этот численный эксперимент впервые предоставил неоспоримые доказательства теоретически предсказанного механизма для ранее неоткрытого диапазона турбулентного энергетического каскада, контролируемого ростом плазмоидов.

«Его статья в влиятельном журнале Science Advances завершает вычислительную программу, которую он начал со своих более ранних результатов 2D, опубликованных в Physical Review Letters . Эти статьи составляют код впечатляющей работы, которую Чуанфэй проделал в качестве члена Принстонского центра гелиофизики. , совместное предприятие Принстона и PPPL. Мы благодарны за грант PPPL LDRD [Лабораторные исследования и разработки], который облегчил эту работу, и программу NASA High-End Computing (HEC) за щедрое выделение компьютерного времени».

Влияние этого открытия на астрофизические системы в различных масштабах можно изучить с помощью нынешних и будущих космических аппаратов и телескопов. В документе говорится, что раскрытие процесса передачи энергии в разных масштабах будет иметь решающее значение для решения ключевых космических тайн.