Araştırmacılar, manyetik yeniden bağlanmayı incelemek için yüksek enerjili lazerler kullanıyor

NASA’nın Kavramsal Görüntü Laboratuvarı’ndan “Güneş Sistemi Boyunca Manyetik Yeniden Bağlantı” konulu ekran görüntüsü. Manyetik yeniden bağlanma, paralel manyetik alanlar – bu durumda güneş patlamalarında bulunur – çarpıştığında, kırıldığında ve yeniden hizalandığında gerçekleşir. Bu süreç, parçacıkları uzayda fırlatan yüksek enerjili bir patlama üretir. Kredi: NASA Kavramsal Görüntü Laboratuvarı

Bilim adamları, manyetik yeniden bağlanma sürecini incelemek için minyatür güneş patlamaları oluşturmak için güçlü lazerler kullanıyor.

Bilim adamları, temel bir astronomik fenomen olan manyetik yeniden bağlanmanın altında yatan mekanizmaları araştırmak için mini güneş patlamalarını simüle etmek için on iki yüksek enerjili lazer ışını kullandılar.

Sanılanın aksine evren boş değildir. “Uzayın engin boşluğu” tabirine karşın, evren yüklü parçacıklar, gazlar ve kozmik ışınlar gibi çeşitli maddelerle doludur. Gök cisimleri nadir görünse de, evren aktivite ile doludur.

Parçacıkların ve enerjinin uzayda böyle bir sürüşü, manyetik yeniden bağlanma adı verilen bir olgudur. Adından da anlaşılacağı gibi, manyetik yeniden bağlanma, zıt yönlerde hareket eden iki manyetik alanda olduğu gibi iki paralel manyetik alan çarpıştığında, kırıldığında ve yeniden hizalandığında gerçekleşir. Zararsız gibi görünse de sakin olmaktan uzaktır.

Bu fenomen evrenin her yerinde görülür. Evde, onları güneş patlamalarında veya Dünya’nın manyetosferinde görebilirsiniz. Taichi Morita, doçent Kyushu Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Fakültesi ve çalışmanın ilk yazarı. “Aslında, aurora borealis, Dünya’nın manyetik alanındaki manyetik yeniden bağlantıdan fırlatılan yüklü parçacıkların bir sonucu olarak oluşuyor.”

Bununla birlikte, yaygın olarak ortaya çıkmasına rağmen, bu fenomenin arkasındaki mekanizmaların çoğu bir sırdır. gibi araştırmalar yapılıyor.[{” attribute=””>NASA’s Magnetospheric Multiscale Mission, where magnetic reconnections are studied in real-time by satellites sent into Earth’s magnetosphere. However, things such as the speed of reconnection or how energy from the magnetic field is converted and distributed to the particles in the plasma remain unexplained.

An alternative to sending satellites into space is to use lasers and artificially generate plasma arcs that produce magnetic reconnections. However, without suitable laser strength, the generated plasma is too small and unstable to study the phenomena accurately.

“One facility that has the required power is Osaka University’s Institute for Laser Engineering and their Gekko XII laser. It’s a massive 12-beam, high-powered laser that can generate plasma stable enough for us to study,” explains Morita. “Studying astrophysical phenomena using high-energy lasers is called ‘laser astrophysics experiments,’ and it has been a developing methodology in recent years.”

In their experiments, reported in Physical Review E, the high-power lasers were used to generate two plasma fields with anti-parallel magnetic fields. The team then focused a low-energy laser into the center of the plasma where the magnetic fields would meet and where magnetic reconnection would theoretically occur.

“We are essentially recreating the dynamics and conditions of a solar flare. Nonetheless, by analyzing how the light from that low-energy laser scatters, we can measure all sorts of parameters from plasma temperature, velocity, ion valence, current, and plasma flow velocity,” continues Morita.

One of their key findings was recording the appearance and disappearance of electrical currents where the magnetic fields met, indicating magnetic reconnection. Additionally, they were able to collect data on the acceleration and heating of the plasma.

The team plans on continuing their analysis and hopes that these types of ‘laser astrophysics experiments’ will be more readily used as an alternative or complementary way to investigate astrophysical phenomena.

“This method can be used to study all sorts of things like astrophysical shockwaves, cosmic-ray acceleration, and magnetic turbulence. Many of these phenomena can damage and disrupt electrical devices and the human body,” concludes Morita. “So, if we ever want to be a spacefaring race, we must work to understand these common cosmic events.”

Reference: “Detection of current-sheet and bipolar ion flows in a self-generated antiparallel magnetic field of laser-produced plasmas for magnetic reconnection research” by T. Morita, T. Kojima, S. Matsuo, S. Matsukiyo, S. Isayama, R. Yamazaki, S. J. Tanaka, K. Aihara, Y. Sato, J. Shiota, Y. Pan, K. Tomita, T. Takezaki, Y. Kuramitsu, K. Sakai, S. Egashira, H. Ishihara, O. Kuramoto, Y. Matsumoto, K. Maeda and Y. Sakawa, 10 November 2022, Physical Review E.
DOI: 10.1103/PhysRevE.106.055207

The study was funded by the Japan Society for the Promotion of Science.