Forscher haben einen zuvor verborgenen Erwärmungsprozess aufgedeckt, der erklärt, wie die Atmosphäre, die die Sonne umgibt, die als „Sonnenkorona“ bezeichnet wird, erheblich heißer sein kann als die Sonnenoberfläche, die sie ausstrahlt.
Die Entdeckung im Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) könnte die Lösung einer Reihe von astrophysikalischen Rätseln wie der Sternentstehung, dem Ursprung großflächiger Magnetfelder im Universum und der Fähigkeit zur Vorhersage des eruptiven Weltraums verbessern Wetterereignisse, die den Mobilfunkdienst stören und Stromnetze auf der Erde verdunkeln können. Das Verständnis des Erwärmungsprozesses hat auch Auswirkungen auf die Fusionsforschung.
Erste klare 3D-Erklärung
„Unsere direkte numerische Simulation ist die erste, die diesen Erwärmungsmechanismus im 3D-Raum eindeutig identifiziert“, sagte Chuanfei Dong, ein Physiker an der PPPL und der Princeton University, der den Prozess entlarvte, indem er 200 Millionen Stunden Computerzeit für die weltweit größte Simulation von seine Art. „Gegenwärtige Teleskop- und Raumfahrzeuginstrumente haben möglicherweise keine ausreichend hohe Auflösung, um den Prozess zu identifizieren, der in kleinen Maßstäben auftritt“, sagte Dong, der den Durchbruch in der Zeitschrift detailliert beschreibt Wissenschaftliche Fortschritte.
Die verborgene Zutat ist ein Prozess namens magnetische Wiederverbindung, der Magnetfelder im Plasma, der Suppe aus Elektronen und Atomkernen, die die Sonnenatmosphäre bildet, trennt und heftig wieder verbindet. Dongs Simulation zeigte, wie die schnelle Wiederverbindung der Magnetfeldlinien die großräumige turbulente Energie in kleinräumige innere Energie umwandelt. Infolgedessen wird die turbulente Energie auf kleinen Skalen effizient in thermische Energie umgewandelt, wodurch die Korona überhitzt wird.
„Denken Sie daran, Sahne in Kaffee zu geben“, sagte Dong. „Die Sahnetropfen werden bald zu Wirbeln und schlanken Locken. In ähnlicher Weise bilden Magnetfelder dünne Schichten aus elektrischem Strom, die sich durch magnetische Wiederverbindung auflösen. Dieser Prozess erleichtert die Energiekaskade von groß zu klein und macht den Prozess effizienter.“ in der turbulenten Sonnenkorona als bisher angenommen.“
Wenn der Wiederverbindungsprozess langsam ist, während die turbulente Kaskade schnell ist, kann die Wiederverbindung die Energieübertragung über Skalen hinweg nicht beeinflussen, sagte er. Aber wenn die Wiederverbindungsrate schnell genug wird, um die traditionelle Kaskadenrate zu überschreiten, kann die Wiederverbindung die Kaskade effizienter in Richtung kleiner Skalen bewegen.
Es tut dies, indem es die magnetischen Feldlinien bricht und wieder zusammenfügt, um Ketten von kleinen verdrillten Linien zu erzeugen, die Plasmoide genannt werden. Dies ändere das seit mehr als einem halben Jahrhundert allgemein akzeptierte Verständnis der turbulenten Energiekaskade, heißt es in dem Papier. Die neue Erkenntnis verbindet die Energieübertragungsrate damit, wie schnell die Plasmoide wachsen, was die Energieübertragung von großen zu kleinen Maßstäben verbessert und die Korona in diesen Maßstäben stark erhitzt.
Die neue Entdeckung demonstriert ein Regime mit einer beispiellos großen magnetischen Reynolds-Zahl wie in der Sonnenkorona. Die große Zahl charakterisiert die neue hohe Energieübertragungsrate der turbulenten Kaskade. „Je höher die magnetische Reynolds-Zahl ist, desto effizienter ist die durch Wiederverbindung angetriebene Energieübertragung“, sagte Dong, der an die Boston University wechselt, um eine Fakultätsstelle anzunehmen.
200 Millionen Stunden
„Chuanfei hat die weltweit größte Turbulenzsimulation dieser Art durchgeführt, die über 200 Millionen Computer-CPUs in Anspruch genommen hat [central processing units] an der NASA Advanced Supercomputing (NAS)-Einrichtung“, sagte der PPPL-Physiker Amitava Bhattacharjee, ein Princeton-Professor für astrophysikalische Wissenschaften, der die Forschung beaufsichtigte. „Dieses numerische Experiment hat zum ersten Mal unbestrittene Beweise für einen theoretisch vorhergesagten Mechanismus für einen zuvor unentdeckten Bereich erbracht einer turbulenten Energiekaskade, die durch das Wachstum der Plasmoide gesteuert wird.
„Sein Aufsatz im High-Impact-Journal Wissenschaftliche Fortschritte vervollständigt das Rechenprogramm, das er mit seinen früheren 2D-Ergebnissen in veröffentlicht hat Briefe zur körperlichen Überprüfung. Diese Papiere bilden eine Coda für die beeindruckende Arbeit, die Chuanfei als Mitglied des Princeton Center for Heliophysics, einer gemeinsamen Einrichtung von Princeton und PPPL, geleistet hat. Wir sind dankbar für eine PPPL LDRD [Laboratory Directed Research & Development] Stipendium, das diese Arbeit ermöglichte, und an das NASA High-End Computing (HEC)-Programm für die großzügige Bereitstellung von Computerzeit.“
Die Auswirkungen dieses Befunds auf astrophysikalische Systeme in verschiedenen Größenordnungen können mit aktuellen und zukünftigen Raumfahrzeugen und Teleskopen untersucht werden. Das Aufschlüsseln des Energieübertragungsprozesses über Skalen hinweg wird entscheidend sein, um wichtige kosmische Rätsel zu lösen, heißt es in dem Papier.
Mehr Informationen:
Chuanfei Dong et al, Reconnection-driven energy cascade in magnetohydrodynamic turbulence, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn7627