Обнаружена ранее неизвестная роль источника магнитных полей

Магнитные силы действуют по всей Вселенной, от полей, окружающих планеты, до газов, заполняющих галактики, и могут быть запущены явлением, называемым эффектом батареи Бирмана. Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что это явление может не только генерировать магнитные поля, но и может разорвать их, чтобы вызвать магнитное пересоединение — это замечательное и удивительное открытие.

Эффект батареи Бирманна, возможного источника магнитных полей, пронизывающих нашу Вселенную, возникает в плазме — состоянии материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер, когда температура и плотность плазмы смещены.

Вершины такой плазмы могут быть более горячими, чем основания, а плотность может быть больше с левой стороны, чем с правой. Это рассогласование приводит к возникновению электродвижущей силы, которая генерирует ток, который приводит к магнитным полям. Процесс назван в честь Людвига Бирмана, немецкого астрофизика, который открыл его в 1950 году.

Новые результаты показывают с помощью компьютерного моделирования ранее неизвестную роль эффекта Бирмана, который мог бы улучшить понимание повторного соединения — отрыва и принудительного повторного соединения линий магнитного поля в плазме, что приводит к северному сиянию, солнечным вспышкам и геомагнитным космическим штормам, которые могут нарушить работу сотовой связи и электрических сетей на Земле.

Результаты «обеспечивают новую платформу для репликации в лаборатории повторного соединения, наблюдаемого в астрофизической плазме», — сказал Джексон Маттеуччи, аспирант программы по физике плазмы в PPPL, и автор статьи, опубликованной в издании Physical Review Letters.

Были опубликованы результаты экспериментов, в которых изучалось плазменное вещество высокой плотности энергии (HED) при экстремальном давлении, которое существует в ядре Земли. В экспериментах использовались лазеры для взрыва пузырьков плазмы. Моделирование трехмерной плазмы прослеживало расширение пузырьков и магнитных полей, созданных эффектом Бирмана, и отслеживало столкновение полей для создания магнитного пересоединения.

Моделирование показало, что температура повторялась в линиях вторичного соединения поля и отменяла роль эффекта Бирмана, который возник из линий. Из-за всплеска эффект Бирмана уничтожил созданные им магнитные полевые линии, разрезая их, словно ножницы, режущие бумагу. Затем «нарезанные» поля снова соединяются вниз по течению от исходной точки повторного соединения.

«Это первая симуляция, показывающая магнитное пересоединение, опосредованное батареей Бирмана», — сказал Джексон Маттеуччи. «Этот процесс никогда не был известен раньше.»

J. Matteucci et al, Biermann-Battery-Mediated Magnetic Reconnection in 3D Colliding Plasmas, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.095001