يستخدم الباحثون أشعة ليزر عالية الطاقة لدراسة إعادة الاتصال المغناطيسي

يستخدم العلماء أشعة ليزر قوية لإنشاء توهجات شمسية مصغرة لدراسة عملية إعادة الاتصال المغناطيسي.

استخدم العلماء اثني عشر حزمة ليزر عالية الطاقة لمحاكاة التوهجات الشمسية المصغرة لاستكشاف الآليات الأساسية لإعادة الاتصال المغناطيسي ، وهي ظاهرة فلكية أساسية.

خلافًا للاعتقاد السائد ، فإن الكون ليس فارغًا. على الرغم من عبارة “الفراغ الشاسع للفضاء” ، فإن الكون مليء بمواد مختلفة مثل الجسيمات المشحونة والغازات والأشعة الكونية. على الرغم من أن الأجرام السماوية قد تبدو نادرة ، فإن الكون يعج بالنشاط.

إحدى هذه المحركات للجسيمات والطاقة عبر الفضاء هي ظاهرة تُعرف باسم إعادة الاتصال المغناطيسي. كما يوحي الاسم ، تحدث إعادة الاتصال المغناطيسي عندما يصطدم مجالان مغناطيسيان متوازيان – مثل مجالين مغناطيسيين يتحركان في اتجاهين متعاكسين – وينكسران ويعيدان الاصطفاف. على الرغم من أنها قد تبدو حميدة ، إلا أنها بعيدة كل البعد عن كونها عملية سلمية.

هذه الظاهرة موجودة في كل مكان في الكون. يمكن العثور عليها في المنزل ، في التوهجات الشمسية ، أو في الغلاف المغناطيسي للأرض. يوضح تايتشي موريتا ، الأستاذ المساعد: “إذا تطور التوهج الشمسي وبدا وكأنه” يقرص “التوهج ، فهو إعادة اتصال مغناطيسي”. جامعة كيوشو كلية العلوم الهندسية والمؤلف الأول للدراسة. “في الواقع ، ينتج الشفق القطبي عن الجسيمات المشحونة المقذوفة من إعادة الاتصال المغناطيسي في المجال المغناطيسي للأرض.”

ومع ذلك ، على الرغم من حدوثها بشكل شائع ، فإن العديد من الآليات الكامنة وراء هذه الظواهر ما زالت غامضة. يتم إجراء مثل هذه الدراسات[{” 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.