Güneş üzerindeki güneş patlamaları ve koronal kütle püskürmeleri, “manyetik yeniden bağlantı”dan kaynaklanır – zıt yönlerdeki manyetik alan çizgileri birleştiğinde, yeniden birleştiğinde ve koptuğunda, büyük miktarda enerji açığa çıkaran patlamalar yaratır. Kredi: NASA Kavramsal Görüntü Laboratuvarı
Sadece birkaç dakika içinde, Güneş’teki bir parlama, tüm dünyaya 20.000 yıl boyunca güç sağlayacak kadar enerjiyi serbest bırakabilir. Bu güneş patlamaları, manyetik yeniden bağlantı olarak bilinen patlayıcı bir süreç tarafından tetikleniyor ve bilim adamları, son yarım yüzyılı nasıl çalıştığını anlamaya çalışarak geçirdiler.
Bu sadece bilimsel bir merak da değil: Manyetik yeniden bağlantının daha eksiksiz bir şekilde anlaşılması, nükleer füzyona ilişkin içgörüler sağlayabilir ve Dünya’nın yörüngesindeki teknolojiyi etkileyebilecek Güneş’ten gelen parçacık fırtınaları hakkında daha iyi tahminler sağlayabilir.
Şimdi, bilim adamları ile[{” attribute=””>NASA’s Magnetospheric Multiscale Mission, or MMS, think they’ve figured it out. The researchers have developed a theory that explains how the most explosive type of magnetic reconnection – called fast reconnection – occurs and why it happens at a consistent speed. The new theory uses a common magnetic effect that’s used in household devices, such as sensors that time vehicle anti-lock braking systems and know when a cell phone flip cover is closed.
“We finally understand what makes this type of magnetic reconnection so fast,” said lead author on the new study Yi-Hsin Liu, a physics professor at Dartmouth College in New Hampshire and the deputy-lead of MMS’ theory and modeling team. “We now have a theory to explain it fully.”
Magnetic reconnection is a process that occurs in plasma, sometimes called the fourth state of matter. Plasma forms when a gas has been energized enough to break apart its atoms, leaving a motley of negatively charged electrons and positively charged ions existing side-by-side. This energetic, fluid-like material is exquisitely sensitive to magnetic fields.
From flares on the Sun, to near-Earth space, to black holes, plasmas throughout the universe undergo magnetic reconnection, which rapidly converts magnetic energy into heat and acceleration. While there are several types of magnetic reconnection, one particularly puzzling variant is known as fast reconnection, which occurs at a predictable rate.
“We have known for a while that fast reconnection happens at a certain rate that seems to be pretty constant,” said Barbara Giles, project scientist for MMS and research scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “But what really drives that rate has been a mystery, until now.”
Bu görselleştirme, daha ağır iyonların (mavi) hareketi, güçlü elektrik akımları (altın bölge) olan bölgeye girerken daha hafif elektronlardan (kırmızı) ayrıldığında meydana gelen Hall etkisini gösterir. Kredi: Tom Bridgman/NASA’nın Bilimsel Görselleştirme Stüdyosu
Nature’s dergisinde yayınlanan yeni araştırma, İletişim Fiziği dergisinde yayınlanan ve kısmen Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen, yeniden bağlanmanın özellikle çarpışmasız plazmalarda ne kadar hızlı gerçekleştiğini açıklıyor – parçacıkları, tek tek parçacıkların birbiriyle çarpışmaması için yeterince yayılmış bir plazma türü. Uzayda yeniden bağlantının gerçekleştiği yerde, güneş patlamalarındaki plazma ve Dünya’nın etrafındaki uzay da dahil olmak üzere çoğu plazma bu çarpışmasız durumda.
Yeni teori, manyetik alanlar ve elektrik akımları arasındaki etkileşimi tanımlayan Hall etkisi ile hızlı yeniden bağlantının nasıl ve neden hızlandırıldığını gösteriyor. Hall etkisi, araç tekerlek hız sensörleri ve sensörlerin hızı, yakınlığı, konumlandırmayı veya elektrik akımlarını ölçtüğü 3D yazıcılar gibi günlük teknolojide kullanılan yaygın bir manyetik fenomendir.
Hızlı manyetik yeniden bağlanma sırasında, bir plazmadaki yüklü parçacıklar – yani iyonlar ve elektronlar – grup olarak hareket etmeyi bırakır. İyonlar ve elektronlar ayrı ayrı hareket etmeye başladıklarında, yeniden bağlantının gerçekleştiği yerde kararsız bir enerji boşluğu yaratarak Hall etkisine yol açarlar. Enerji boşluğunun etrafındaki manyetik alanlardan gelen basınç, vakumun patlamasına neden olur ve bu da tahmin edilebilir bir oranda çok büyük miktarda enerjiyi hızla serbest bırakır.
Yeni teori, önümüzdeki yıllarda çarpışmasız plazmalarda manyetik yeniden bağlanmayı incelemek için bir piramit oluşumunda Dünya çevresinde uçan dört uzay aracını kullanan MMS ile test edilecek. Bu eşsiz uzay laboratuvarında MMS, manyetik yeniden bağlanmayı Dünya’da mümkün olandan daha yüksek bir çözünürlükte inceleyebilir.
Giles, “Sonuçta, manyetik yeniden bağlantının nasıl çalıştığını anlayabilirsek, o zaman bizi Dünya’da etkileyebilecek, jeomanyetik fırtınalar ve güneş patlamaları gibi olayları daha iyi tahmin edebiliriz.” Dedi. “Ve yeniden bağlantının nasıl başlatıldığını anlayabilirsek, bu aynı zamanda enerji araştırmalarına da yardımcı olacaktır, çünkü araştırmacılar füzyon cihazlarındaki manyetik alanları daha iyi kontrol edebilirler.”
Bu araştırma hakkında daha fazla bilgi için bkz. Uzayda Hızlı Manyetik Patlamalar: Hızlı Manyetik Yeniden Bağlantının Ardındaki Gizemi Açıklama.
Referans: Yi-Hsin Liu, Paul Cassak, Xiaocan Li, Michael Hesse, Shan-Chang Lin ve Kevin Genestreti, 28 Nisan 2022, “Manyetosferik ve güneş plazmalarında manyetik yeniden bağlanma hızının ilk prensipleri teorisi”, İletişim Fiziği.
DOI: 10.1038/s42005-022-00854-x