Eine Roadmap zum tieferen Verständnis eines rätselhaften universellen Prozesses

Ein rätselhafter Prozess namens magnetische Wiederverbindung löst im ganzen Universum explosive Phänomene aus, die Sonneneruptionen und Weltraumstürme erzeugen, die Mobiltelefondienste und Stromnetze lahmlegen können. Jetzt haben Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) einen detaillierten Fahrplan zur Entwirrung eines Schlüsselaspekts dieses Puzzles vorgelegt, der den Einblick in die Funktionsweise des Kosmos vertiefen könnte.

Reconnection wandelt die Magnetfeldenergie in Teilcheneruptionen in astrophysikalischen Plasmen um, indem die Magnetfeldlinien auseinanderbrechen und explosionsartig wieder verbunden werden – ein Prozess, der in sogenannten Dissipationsregionen stattfindet, die oft enorm kleiner sind als die Regionen, auf die sie einwirken.

Gestresstes Magnetfeld

„Plasma mag keine Wiederverbindung“, sagte Hantao Ji, ein PPPL-Physiker und Professor an der Princeton University, der Erstautor eines Artikels ist, in dem die Roadmap detailliert beschrieben wird Nature Reviews Physik. „Die Wiederverbindung erfolgt jedoch, wenn das Magnetfeld ausreichend belastet ist“, sagte er.

„Dissipationsskalen sind winzig, während astrophysikalische Skalen sehr groß sind und sich über Millionen von Kilometern erstrecken können. Einen Weg zu finden, diese Skalen durch einen Multiskalenmechanismus zu überbrücken, ist ein Schlüssel zur Lösung des Wiederverbindungsrätsels.“

Die Roadmap umreißt die Rolle der Entwicklung von Technologien mit multiskaligen Fähigkeiten wie der Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE), einer kürzlich installierten kollaborativen Einrichtung, die aufgerüstet wird und Facetten der magnetischen Wiederverbindung untersuchen wird, die für Laborexperimente noch nie zugänglich waren. Ergänzt werden diese Experimente durch Simulationen auf kommenden Exascale-Supercomputern, die zehnmal schneller sein werden als aktuelle Computer. „Die Hoffnung ist, dass FLARE und Exascale-Computing Hand in Hand gehen“, sagte Ji.

Die Arbeitstheorie, die die PPPL-Roadmap vorschlägt, ist, dass mehrere Plasmoide oder magnetische Inseln, die aus der Wiederverbindung entlang langer Plasmastromschichten entstehen, die große Bandbreite an Skalen überbrücken könnten. Solche Plasmoide würden der betroffenen Wiederverbindungsregion besser entsprechen, wobei Laborexperimente in mehreren Maßstäben geplant sind, um die ersten Tests dieser Theorie zu liefern und konkurrierende Hypothesen zu bewerten.

„Exascale wird es uns ermöglichen, glaubwürdigere Simulationen auf der Grundlage von High-Fidelity-FLARE-Experimenten durchzuführen“, sagte der PPPL-Physiker Jongsoo Yoo, ein Co-Autor des Papiers. Die erhöhte Größe und Leistung der neuen Maschine – ihr Durchmesser wird doppelt so groß sein wie der des Magnetic Reconnection Experiment (MRX) in der Größe eines Sport-Nutzfahrzeugs, PPPLs langjährigem Laborexperiment – ​​und wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Wiederverbindung in der Natur originalgetreuer zu replizieren .

„FLARE kann mit mehreren Wiederverbindungspunkten auf breitere astrophysikalische Systeme zugreifen als MRX und die Feldgeometrie während der Wiederverbindung messen“, sagte William Daughton, Computerwissenschaftler am Los Alamos National Laboratory und Mitautor der Veröffentlichung. „Das Verständnis dieser Physik ist wichtig, um vorherzusagen, wie die Wiederverbindung bei Sonneneruptionen abläuft“, sagte er.

Schlüsselherausforderung

Eine zentrale Herausforderung für die kommenden Experimente wird die Entwicklung neuer hochauflösender Diagnosesysteme sein, die frei von restriktiven Annahmen sind. Sobald diese Systeme entwickelt sind, wird es FLARE ermöglichen, auf Satellitensichtungen aufzubauen, wie sie von der Magnetospheric Multiscale-Mission produziert wurden, einer Flotte von vier Raumfahrzeugen, die 2015 gestartet wurde, um die Wiederverbindung in der Magnetosphäre, dem Magnetfeld, das die Erde umgibt, zu untersuchen.

„Fortschritte beim Verständnis der Multiskalenphysik hängen entscheidend von der Innovation und effizienten Implementierung solcher Diagnosesysteme im kommenden Jahrzehnt ab“, heißt es in dem Papier. Die neuen Erkenntnisse werden offene Fragen beantworten, darunter:

• Wie genau beginnt die Wiederverbindung?

• Wie werden explosive Plasmateilchen erhitzt und beschleunigt?

• Welche Rolle spielt Reconnection bei verwandten Prozessen wie Turbulenzen und Weltraumschocks?

Insgesamt „enthält das Papier Pläne, um der gesamten Weltraumphysik- und Astrophysik-Community Methoden zur Lösung des Multiskalenproblems zur Verfügung zu stellen“, sagte Yoo. Eine solche Lösung wäre ein wichtiger Schritt hin zu einem umfassenderen Verständnis der magnetischen Wiederverbindung in großen Systemen im gesamten Universum.