Bei flüchtigen Anfällen, Die Sonne schleudert gelegentlich riesige Energiemengen in den Weltraum. Diese sogenannten Sonneneruptionen dauern nur wenige Minuten und können auf der Erde katastrophale Stromausfälle und blendende Polarlichter auslösen. Aber unsere führenden mathematischen Theorien zur Funktionsweise dieser Fackeln können die Stärke und Geschwindigkeit dessen, was wir beobachten, nicht vorhersagen.
Im Zentrum dieser Ausbrüche steht ein Mechanismus, der magnetische Energie in starke Licht- und Partikelstöße umwandelt. Diese Transformation wird durch einen Prozess namens magnetische Wiederverbindung katalysiert, bei dem kollidierende Magnetfelder aufbrechen und sich sofort neu ausrichten, wodurch Material in den Kosmos geschleudert wird. Neben der Energiegewinnung durch Sonneneruptionen könnte die Wiederverbindung auch die schnelle, hochenergetische Teilchen Ausgestoßen von explodierenden Sternen, das Leuchten von Jets aus schlemmenden Schwarzen Löchernund das ständiger Wind Von der Sonne verweht.
Trotz der Allgegenwärtigkeit des Phänomens haben Wissenschaftler Schwierigkeiten zu verstehen, wie es so effizient funktioniert. A neuere Theorie schlägt vor, dass bei der Lösung der Rätsel der magnetischen Wiederverbindung die winzige Physik eine große Rolle spielt. Insbesondere erklärt es, warum einige Wiederverbindungsereignisse so verblüffend schnell ablaufen – und warum die stärksten scheinbar mit einer charakteristischen Geschwindigkeit ablaufen. Das Verständnis der mikrophysikalischen Details der Wiederverbindung könnte Forschern dabei helfen, bessere Modelle dieser energetischen Eruptionen zu erstellen und kosmische Wutanfälle zu verstehen.
„Bisher ist das die beste Theorie, die ich sehen kann“, sagte er Hantao Ji, ein Plasmaphysiker an der Princeton University, der nicht an der Studie beteiligt war. „Das ist eine große Leistung.“
Mit Flüssigkeiten herumfummeln
Fast alle bekannte Materie im Universum existiert in Form von Plasma, eine feurige Gassuppe, in der höllische Temperaturen Atome in geladene Teilchen zerlegt haben. Während sie umherfliegen, erzeugen diese Partikel Magnetfelder, die dann die Bewegungen der Partikel steuern. Diese chaotische Wechselwirkung ergibt ein Durcheinander magnetischer Feldlinien, die wie Gummibänder immer mehr Energie speichern, wenn sie gedehnt und gedreht werden.
In den 1950er Jahren schlugen Wissenschaftler eine Erklärung dafür vor, wie Plasmen ihre aufgestaute Energie abgeben, ein Prozess, der später als magnetische Wiederverbindung bezeichnet wird. Wenn in entgegengesetzte Richtungen gerichtete Magnetfeldlinien kollidieren, können sie brechen und sich kreuzen, wodurch Partikel wie eine doppelseitige Steinschleuder abgeschossen werden.
Aber diese Idee ähnelte eher einem abstrakten Gemälde als einem vollständigen mathematischen Modell. Wissenschaftler wollten die Einzelheiten der Funktionsweise des Prozesses verstehen – die Ereignisse, die das Schnappen beeinflussen, den Grund, warum so viel Energie freigesetzt wird. Aber das chaotische Zusammenspiel von heißem Gas, geladenen Teilchen und Magnetfeldern ist mathematisch nur schwer zu bändigen.
Die erste quantitative Theorie, 1957 von den Astrophysikern Peter Sweet und Eugene Parker beschrieben, behandelt Plasmen als magnetisierte Flüssigkeiten. Dies deutet darauf hin, dass Kollisionen entgegengesetzt geladener Teilchen magnetische Feldlinien anziehen und eine außer Kontrolle geratene Kette von Wiederverbindungsereignissen auslösen. Ihre Theorie sagt auch voraus, dass dieser Prozess mit einer bestimmten Geschwindigkeit abläuft. Die in relativ schwachen, im Labor geschmiedeten Plasmen beobachteten Wiederverbindungsraten stimmen mit ihrer Vorhersage überein, ebenso wie die Raten für kleinere Jets in den unteren Schichten der Sonnenatmosphäre.
Aber Sonneneruptionen setzen Energie viel schneller frei, als die Theorie von Sweet und Parker erklären kann. Ihren Berechnungen zufolge dürften sich diese Ausbrüche über Monate und nicht über Minuten entfalten.
In jüngerer Zeit Beobachtungen der NASA magnetosphärische Satelliten haben festgestellt, dass diese schnellere Wiederverbindung noch näher an der Heimat, im Erdmagnetfeld, stattfindet. Diese Beobachtungen, zusammen mit Beweisen aus jahrzehntelangen Computersimulationen, bestätigen diese „schnelle“ Wiederverbindungsrate: In energiereicheren Plasmen erfolgt die Wiederverbindung mit etwa 10 Prozent der Geschwindigkeit, mit der sich Magnetfelder ausbreiten – Größenordnungen schneller, als die Theorie von Sweet und Parker vorhersagt .