Теперь физики Масааки Ямада из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и Эллен Цвейбель из Университета Висконсин-Мэдисон представили основные перспективы по четырем ключевым проблемам магнитного пересоединения в статье, опубликованной 7 декабря в Британский журнал Proceedings of the Royal Society A. Их исследования сосредоточены на том, как силовые линии, встроенные в плазму, горячий заряженный газ, состоящий из электронов и атомных ядер — или ионов — который составляет 99 процентов видимой Вселенной, ведут себя как они делают. Полученные данные относятся как к астрофизике, так и к экспериментам по термоядерному синтезу с магнитным управлением, которые могут быть отключены при пересоединении.Обширная 30-страничная статья, предложенная журналом, способствует пониманию четырех глубоких и давних загадок:• Проблема скорости.
Почему переподключение происходит намного быстрее, чем показывает теория?• Проблема триггера. Что определяет количество энергии, которое может храниться в магнитном поле, и запускает его высвобождение?
• Проблема энергетики. Как пересоединение преобразует магнитную энергию во взрывную кинетическую энергию?
• Проблема взаимодействия весов. Каким образом повторное соединение, которое происходит в микромасштабе, вызывает взрывы, происходящие в глобальном масштабе?Ямада и Цвайбель, лауреаты премии Джеймса Клерка Максвелла в области физики плазмы в 2015 и 2016 годах, соответственно, используют комплексный подход к этим вопросам. Премия, присужденная Отделением физики плазмы Американского физического общества, присуждается за их вклад в динамику пересоединения и астрофизику плазмы.
Их статья объединяет данные, полученные из спутниковых наблюдений и эксперимента по магнитному воссоединению (MRX) в PPPL, вместе с теорией и компьютерным моделированием, чтобы предоставить подробное представление об этих загадочных процессах.Что касается проблемы скорости, авторы отмечают, что выявлено два пути к быстрому переподключению. В первом случае происходит быстрое пересоединение, когда намагниченные электроны и размагниченные ионы ведут себя по-разному, вызывая явление, называемое эффектом Холла в слое пересоединения. Во втором случае процесс, называемый нестабильностью плазмоида, разбивает тонкие токовые слои на магнитные островки, которые производят быстрое пересоединение (см.
Соответствующую статью здесь). «Характеристика нестабильности плазмоида в большой лабораторной плазме — цель будущих исследований», — пишут авторы.Как отметили Цвейбель и Ямада, предстоит еще много поработать над проблемой триггера.
Они пишут, что образование тонкого токового слоя долгое время считалось предпосылкой для быстрого переподключения. Однако распределение энергии, которая извергается во время солнечных вспышек, «является ключевым наблюдением, которое должны объяснить теории, — заявляют они, и определение степенного закона, лежащего в основе распределения», «остается далекой, но важной целью».
В степенных законах одна форма энергии изменяется как сила другой.Что касается проблемы энергетики, то, по словам авторов, за последнее время был достигнут значительный прогресс.
Эксперименты, проведенные на MRX в PPPL, показывают, что при повторном соединении преобразуется около 50 процентов магнитной энергии, при этом одна треть преобразования ускоряет электроны, а две трети ускоряет ионы в плазме. «Эти результаты поднимают вопрос о том, существует ли универсальный принцип разделения преобразованной энергии, что является важной проблемой для будущих исследований», — пишут они.Авторы заявляют, что объяснение проблемы масштаба, в которой крошечные микропроцессы производят большие глобальные эффекты, «остается чрезвычайно сложной задачей».
Тем не менее, был достигнут большой «важный прогресс». Хотя триггеры для повторного подключения в основном глобальные, источники преобразования энергии могут быть глобальными или небольшими по масштабу.
Следовательно, «наличие континуума масштабов, от микроскопического до макроскопического, может быть наиболее вероятным путем к быстрому пересоединению».Забегая вперед, авторы пишут, что «перспективы будущего прогресса зависят от постоянных успешных инноваций в методологии. Сочетание лабораторных экспериментов, измерений космической плазмы и численного моделирования оказывается особенно успешным».
Такие разработки приведут к тому, что будущие исследования будут сосредоточены "на особых свойствах естественной плазмы по всей Вселенной".