Нова теория описва как взаимодействията на частиците подхранват бързото магнитно присъединяване, процесът зад слънчевите изригвания и други астрофизични струи.

По време на мимолетни пристъпи слънцето понякога изхвърля колосално количество енергия в космоса. Tези изригвания продължават само минути и могат да предизвикат катастрофални прекъсвания на тока и ослепителни полярни сияния на Земята. Но водещите математически теории за това как работят тези изригвания не успяват да предвидят силата и скоростта на това, което наблюдаваме.

В основата на тези изблици е механизъм, който преобразува магнитната енергия в мощни взривове от светлина и частици. Тази трансформация се катализира от процес, наречен магнитно присъединяване (повторно свързване), при който сблъскващи се магнитни полета се разпадат и незабавно пренареждат, изстрелвайки материал в космоса. Освен слънчевите изригвания, магнитното присъединяване може да захранва бързите, високоенергийни частици, изхвърлени от експлодиращи звезди, струите (джетовете) от хранещите се черни дупки и постоянния слънчев вятър.

Магнитно присъединяване. Източник:Wikimedia Commons

Слънчевите изригвания се случват, когато линиите на магнитното поле в близост до слънчеви петна се реорганизират експлозивно.

Въпреки повсеместното разпространение на феномена, учените се опитват да разберат защо това явление е толкова ефективно. Скорошна теория предполага, че когато става въпрос за разгадаване на мистериите на магнитното присъединяване, може да играе голяма роля квантовата физика. По-специално, това обяснява защо някои събития на магнитно присъединяване са толкова изумително бързи - и защо най-силните изглежда се случват с характерна скорост. Разбирането на микрофизичните детайли на магнитното присъединяване може да помогне на изследователите да изградят по-добри модели на тези енергийни изригвания и да осмислят космическите избухвания.

Фази на материята. Най-често срещнаните фази са газ, течност и твърди вещества. Но при много високи или ниски температури материята приема други, по-екзотични състояния.

Бъркотия от плазма

Почти цялата позната материя във Вселената съществува под формата на плазма, огнена супа от газ, където адските температури са разделили атомите на заредени частици. Докато се движат, тези частици генерират магнитни полета, които след това направляват движенията на частиците. Това хаотично взаимодействие разбърква линиите на магнитно поле, които подобно на гумени ленти съхраняват все повече и повече енергия, докато се разтягат и усукват.

През 50-те години на миналия век учени предлагат обяснение за това как плазмите изхвърлят задържаната си енергия - процес, който се нарича магнитно присъединяване. Когато линиите на магнитното поле, сочещи в противоположни посоки, се сблъскат, те могат да се разкъсат и кръстосано да се свържат, изстрелвайки частици като прашка.

Но тази идея е по-близо до абстрактна картина, отколкото до пълен математически модел. Учените искат да разберат подробностите за това как работи процесът - събитията, които влияят на щракването, причината, поради която се освобождава толкова много енергия. Но обърканото взаимодействие на горещ газ, заредени частици и магнитни полета е трудно да се укроти математически.

Първата количествена теория, описана през 1957 г. от астрофизиците Питър Суит и Юджийн Паркър, третира плазмата като магнетизирани течности. Това предполага, че сблъсъците на противоположно заредени частици привличат линии на магнитно поле и предизвикват невероятна верига от събития на магнитно присъединяване. Тяхната теория също предвижда, че този процес се случва с определена скорост. Скоростта на магнитното присъединяване се определя от отношението на скоростта на входящия поток към скоростта на вълните на Алфвен - плазмените вълни, движещи се по линиите на магнитното поле.

Скоростите на магнитното присъединяване, наблюдавани в относително слаба, лабораторно създадена плазма, съвпадат с тяхната прогноза, както и скоростите за по-малки струи в долните слоеве на слънчевата атмосфера.

Но слънчевите изригвания освобождават енергия много по-бързо, отколкото теорията на Суит и Паркър може да обясни. Според техните изчисления тези изригвания трябва да се развият за месеци, а не за минути.

Модел Суит-Паркър на магнитно присъединяване Моделът на Паркър–Суит изследва плазмените потоци под действието на външно електрическо поле с напрежение E0. В модела магнитни полета с индукция B0 на границите на системата са насочени антипаралелно, затова в централната част от системата има специална неутрална линия, където магнитното поле изчезва.

Скоростта на магнитното присъединяване се определя от граничните условия, т.е. от начина на организиране на плазмения поток към областта на повторно свързване и от числото на Мах M=u/vA, където u=cE0/B0 е скоростта на плазмения поток, vA=B0/(4πnmi)½ е скоростта на Алвен, n е концентрацията на плазмени йони с маса mi, c е скоростта на светлината. Според модела на Паркър–Суит, процесът на разсейване на магнитното поле се извършва само в малка дифузионна област с размер l=L/Re½m (тук Rem=4πσvAL/c2≫1 е магнитното число на Рейнолдс, L е характерната ширина на слоя), където се анихилира малко количество магнитен поток. В този случай скоростта на магнитното присъединяване  е равна на M=Re½m

Съвсем наскоро наблюдения от магнитосферните сателити на НАСА идентифицират това по-бързо магнитно присъединяване, което се случва дори по-близо до нас, в собственото магнитно поле на Земята. Тези наблюдения, заедно с доказателства от десетилетия на компютърни симулации, потвърждават тази „бърза“ скорост на магнитно присъединяване: в по-енергичните плазми магнитното присъединяване се извършва при приблизително 10% от скоростта, с която се разпространяват магнитните полета – с порядъци по-бързо, отколкото прогнозира теорията на Суит-Паркър.

Процентът на магнитно присъединяване от 10% се наблюдава толкова универсално, че много учени го смятат за „число, дадено от Бог“, разказва Алиса Галишникова (Alisa Galishnikova), изследовател от Принстън. Но позоваването на божественото не обяснява какво прави магнитното присъединяване толкова бързо.

Божието число

През 90-те години на миналия век физиците се отказват от третирането на плазмата като течност, което се оказва  голямо опростяване. Ако се погледне отблизо, магнетизираната супа наистина е съставена от отделни частици. И как тези частици взаимодействат една с друга, има решаваща разлика.

„Когато се стигне до микромащаби, описанието като течност започва да се разпада“, обяснява Амитава Бхатачарджи (Amitava Bhattacharjee), плазмен физик в Принстън. „[Микрофизичната] картина съдържа неща, които течната картина никога не може да улови.“

През последните две десетилетия физиците подозират, че електромагнитен феномен, известен като квантов ефект на Хол, може да крие тайната за бързото магнитно присъединяване: Отрицателно заредените електрони и положително заредените йони имат различни маси, така че се движат по линиите на магнитното поле с различни скорости. Тази разлика в скоростта генерира напрежение между разделените заряди.

През 2001 г. Бхатачарджи и колегите му показват, че само модели, които включват ефекта на Хол, дават подходящо бързи скорости на магнитно присъединяване. Но как точно това напрежение произвежда магическите 10% остава загадка.

„Това не ни показа „как“ и „защо“, коментира И-Хсин Лиу (Yi-Hsin Liu), плазмен физик от Дартмут колидж.

Електроните (червени) и йоните (бели) се движат с различни скорости по линиите на магнитното поле в астрофизичната плазма, генерирайки напрежение, което прави магнитното присъединяване по-ефективно. Кредит: NASA’s Scientific Visualization Studio

Сега, в две наскоро публикувани теоретични статии, Лиу и колегите му се опитват да попълнят подробностите.

Първата статия, публикувана в Communications Physics, описва как напрежението индуцира магнитно поле, което привлича електрони далеч от центъра на двете сблъскващи се магнитни области. Това отклонение създава вакуум, който засмуква нови линии на полето и ги прищипва в центъра, позволявайки на магнитната прашка да се формира по-бързо.

„Това е първият убедителен аргумент, който някога съм виждал.“, отбелязва Джим Дрейк (Jim Drake), физик на плазмата в Университета на Мериленд.

Във втората статия, публикувана в Physical Review Letters, Лиу и неговият асистент Матю Гудбред (Matthew Goodbred) описват как същият вакуумен ефект възниква в екстремни плазми, съдържащи различни съставки. Около черните дупки например се смята, че плазмата се състои от електрони и също толкова масивните позитрони, така че ефектът на Хол вече не се прилага. И все пак, „магически,  магнитното присъединяване все още работи по подобен начин“, разказва Лиу.

Изследователите предполагат, че в рамките на тези по-силни магнитни полета по-голямата част от енергията се изразходва за ускоряване на частиците, вместо за нагряването им - отново създавайки изчерпване на налягането, което дава божествената скорост от 10%.

„Това е важен крайъгълен камък теоретично“, каза Лоренцо Сирони (Lorenzo Sironi), теоретичен астрофизик в Колумбийския университет, който работи върху компютърни симулации на високоенергийни плазмени струи. „Това ни дава увереност... че това, което виждаме в нашите симулации, не е лудост.“

Подбор на частици

Учените не могат да моделират всяка отделна частица в мащабни плазмени симулации. Това ще произведе милиарди терабайти данни и ще отнеме стотици години, за да се завърши, дори с помощта на най-модерните суперкомпютри. Но изследователите наскоро разбират как да третират такава тромава система като по-малък, по-управляем набор от частици.

За да проучат значението на разглеждането на отделните частици, Галишникова и колегите сравняват две симулации на нарастваща черна дупка - едната третира плазмата като хомогенна течност, а другата хвърля приблизително един милиард частици в сместа. Техните резултати, публикувани през март в Physical Review Letters, показват, че включването на микрофизиката води до отчетливо различни картини на изригвания на черна дупка, ускорения на частици и вариации в яркостта.

Две симулации на нарастваща черна дупка. Отляво плазмата е моделирана като течност. Вдясно се третира като комплекс от частици, което създава драматични разлики в плътността на плазмата (лилаво) и линиите на магнитното поле (бели). Кредит: Alisa Galishnikova

Сега учените се надяват, че теоретичен напредък като този на Лиу ще доведе до модели на  магнитно присъединяване, които отразяват по-точно природата. Но докато неговата теория има за цел да разреши проблема със скоростта на магнитно присъединяване, тя не обяснява защо някои полеви линии се сблъскват и предизвикват магнитно присъединяване, но не и други. Той също така не описва как изтичащата енергия се разделя на струи, топлина и космически лъчи - или как всичко това работи в три измерения и в по-големи мащаби. И все пак работата на Лиу показва как при правилните обстоятелства магнитното присъединяване може да бъде достатъчно ефективно, за да предизвика ефимерни, но яростни небесни изблици.

„Трябва да отговорите на въпроса „защо“ – това е решаваща част от напредъка с науката“, посочва Дрейк. „Увереността, че разбираме механизма, ни дава много по-добра способност да се опитаме да разберем какво се случва.“

Източник: The Tiny Physics Behind Immense Cosmic Eruptions, Quanta magazine

Още по темата

18/04/2023

Физика

Магнитното присъединяване е обяснението за свръхгорещата корона на Слънцето

14/05/2016

Космос

НАСА измери за първи път магнитно присъединяване в космоса (видео)