بزرگترین شبیه سازی تلاطم جهان جریان انرژی را در پلاسمای اخترفیزیکی آشکار می کند

نیوزویز – محققان یک فرآیند گرمایش پنهان را کشف کرده‌اند که به توضیح این که چگونه جوی که خورشید را احاطه کرده است، به نام “تاج خورشیدی” می‌تواند به طور قابل توجهی داغ‌تر از سطح خورشیدی باشد که آن را تابش می‌کند، کشف کرده‌اند.

کشف در آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) می تواند مقابله با تعدادی از معماهای اخترفیزیکی مانند شکل گیری ستاره ها، منشاء میدان های مغناطیسی در مقیاس بزرگ در کیهان و توانایی پیش بینی آب و هوای فوران فضایی را بهبود بخشد. پدیده هایی که می توانند خدمات تلفن همراه را مختل کنند و شبکه های برق زمین را خاموش کنند. درک فرآیند گرمایش نیز پیامدهایی برای تحقیقات همجوشی دارد.

یک پیشرفت بزرگ

Chuanfei Dong، فیزیکدان در PPPL و دانشگاه پرینستون که این فرآیند را با صرف 200 میلیون ساعت زمان کامپیوتری بر روی بزرگترین شبیه سازی جهان فاش کرد، گفت: شبیه سازی عددی مستقیم ما اولین چیزی است که شناسایی روشنی از این مکانیسم گرمایش در فضای سه بعدی ارائه می دهد. از نوع خود دونگ که جزئیات بیشتری را ارائه می دهد، گفت: «ابزارهای فعلی در تلسکوپ ها و فضاپیماها ممکن است وضوح کافی برای شناسایی فرآیندی که در مقیاس های کوچک اتفاق می افتد نداشته باشند. پیشرفت در دفتر خاطرات پیشرفت علمی.

ماده پنهان فرآیندی به نام اتصال مجدد مغناطیسی است که میدان های مغناطیسی پلاسما، سوپ الکترون ها و هسته های اتمی که اتمسفر خورشید را می سازد، جدا می کند و به شدت دوباره به هم وصل می کند. شبیه سازی دانگ نشان می دهد که چگونه اتصال مجدد سریع خطوط میدان مغناطیسی انرژی آشفته در مقیاس بزرگ را به انرژی داخلی در مقیاس کوچک تبدیل می کند. در نتیجه، انرژی متلاطم به طور موثری در مقیاس های کوچک به انرژی حرارتی تبدیل می شود و در نتیجه تاج را فوق العاده گرم می کند.

دونگ گفت: به این فکر کنید که در قهوه خود خامه بریزید. “قطره های کرم به زودی به فر و فرهای نازک تبدیل می شوند. به طور مشابه، میدان های مغناطیسی لایه های نازکی از جریان الکتریکی را تشکیل می دهند که به دلیل اتصال مجدد مغناطیسی شکسته می شوند. این فرآیند آبشار انرژی در مقیاس بزرگ تا مقیاس کوچک را تسهیل می‌کند و این فرآیند را در تاج خورشیدی متلاطم از آنچه قبلاً تصور می‌شد کارآمدتر می‌کند.

او گفت وقتی فرآیند اتصال مجدد کند است، در حالی که آبشار آشفته سریع است، اتصال مجدد نمی تواند بر انتقال انرژی در مقیاس های مختلف تأثیر بگذارد. اما زمانی که نرخ اتصال مجدد به اندازه‌ای بالا می‌رود که از نرخ آبشاری سنتی فراتر رود، اتصال مجدد می‌تواند آبشار را به مقیاس‌های کوچک با کارآمدتری منتقل کند.

این کار را با شکستن و اتصال مجدد خطوط میدان مغناطیسی انجام می دهد تا زنجیره هایی از خطوط پیچ خورده کوچک به نام پلاسموئید تولید کند. در این گزارش آمده است که این درک از آبشار انرژی متلاطم را که بیش از نیم قرن به طور گسترده پذیرفته شده است، تغییر می دهد. یافته جدید، سرعت انتقال انرژی را به سرعت رشد پلاسموئیدها، افزایش انتقال انرژی از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک و به شدت گرم کردن تاج در این مقیاس ها مرتبط می کند.

کشف جدید رژیمی با عدد رینولدز مغناطیسی بی سابقه مانند تاج خورشیدی را نشان می دهد. عدد بزرگ، نرخ انتقال انرژی بالای آبشار آشفته را مشخص می کند. دونگ که برای تصدی سمت هیئت علمی به دانشگاه بوستون نقل مکان می کند، گفت: «هرچه عدد رینولدز مغناطیسی بیشتر باشد، انتقال انرژی مبتنی بر اتصال مجدد کارآمدتر است.

200 میلیون ساعت

Chuanfei بزرگترین شبیه سازی تلاطم در نوع خود را انجام داد که بیش از 200 میلیون پردازنده کامپیوتری را اشغال کرد. [central processing units] آمیتاوا باتاچارجی، فیزیکدان PPPL، پروفسور علوم اخترفیزیک در پرینستون، که این مطالعه را رهبری کرد، گفت: در مرکز پیشرفته ابرکامپیوتری ناسا (NAS) . این آزمایش عددی برای اولین بار شواهد قاطعی را برای مکانیسم پیش‌بینی‌شده نظری برای محدوده‌ای از آبشار انرژی آشفته که قبلاً کشف نشده بود که توسط رشد پلاسموئید کنترل می‌شد، ارائه کرد.

«مقاله ژورنالی با تأثیر بالا پیشرفت علمی برنامه محاسباتی را که با آن شروع کرده بود تمام می کند نتایج 2 بعدی قبلی او منتشر شده در نامه معاینه فیزیکی. این مقالات، کد کار چشمگیر چوانفی را به عنوان عضوی از مرکز هلیوفیزیک پرینستون، مرکز مشترک پرینستون و PPPL، تشکیل می دهند. ما از PPPL LDRD سپاسگزاریم [Laboratory Directed Research & Development] کمک مالی که این کار را تسهیل کرد و به برنامه محاسبات پیشرفته ناسا (HEC) برای تخصیص سخاوتمندانه زمان کامپیوتری آن.”

تاثیر این کشف بر سیستم های اخترفیزیکی در مقیاس های مختلف را می توان با فضاپیماها و تلسکوپ های فعلی و آینده بررسی کرد. این مقاله می گوید که باز کردن فرآیند انتقال انرژی در مقیاس های مختلف برای حل اسرار کلیدی کیهانی بسیار مهم است.

بودجه این مقاله توسط دفتر علوم DOE (FES) و ناسا، با منابع محاسباتی ارائه شده توسط HEC ناسا همراه با مرکز ملی علوم محاسباتی برای تحقیقات انرژی، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE، و محاسبات و تحت حمایت NSF تامین شد. آزمایشگاه سیستم های اطلاعاتی این مقاله توسط محققانی از دانشگاه‌های PPPL، پرینستون و کلمبیا و مرکز تحقیقات آمیز ناسا نوشته شده است.

PPPL، در پردیس Forrestal دانشگاه پرینستون در Plainsboro، نیوجرسی، به ایجاد دانش جدید در مورد فیزیک پلاسما – گازهای فوق داغ و باردار – و توسعه راه حل های عملی برای ایجاد انرژی از همجوشی اختصاص دارد. این آزمایشگاه توسط دفتر علوم دانشگاه در وزارت انرژی ایالات متحده مدیریت می شود که بزرگترین حامی تحقیقات علوم فیزیکی پایه در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید Energy.gov/science.