Новий алгоритм покращує розуміння плазмових ударних хвиль у космосі

Уявіть собі вибухові збурення, спричинені надзвуковим реактивним літаком. Подібна ударна хвиля виникає, коли субатомні частинки, відомі як «сонячний вітер», випливають із Сонця та вдаряються об магнітне поле Землі. Тепер вчені використали нещодавно розроблену техніку, щоб покращити прогнози щодо часу та інтенсивності ударів сонячного вітру, які іноді порушують роботу телекомунікаційних супутників і пошкоджують електричні мережі.

Дослідницька група під керівництвом Джеймса Джуно, штатного фізика Принстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) Міністерства енергетики США (DOE) використала те, що називається «кореляцією поля-частинки» (FPC), щоб детально уявити, як шок хвилі, що складаються з плазми, гарячого, зарядженого стану матерії, що становить 99% видимого Всесвіту, можуть нагрівати згустки плазми в космосі.

FPC — це алгоритм, який обробляє дані, створені космічними апаратами чи комп’ютерами, і визначає, як змінюється енергія магнітних полів і рухомих частинок плазми. Процес дає точну інформацію про положення та швидкості частинок, коли відбуваються зміни.

«Хоча багато з того, що ми знайшли, було вже добре відомо, теплообмін ніколи раніше не досліджувався таким чином», — сказав Джеймс Джуно, штатний фізик Прінстонської лабораторії фізики плазми (PPPL) Міністерства енергетики США (DOE) і провідний автор статті з повідомленням про результати в The Astrophysical Journal. «Той факт, що ця техніка працює так само добре, показує нам, що є нові способи поглянути на старі проблеми».

Вчені PPPL вивчають плазму, оскільки вона стимулює реакції термоядерного синтезу в пристроях у формі пончика, відомих як токамаки, і звивистих установках, відомих як стеларатори. Плазма — це суміш атомних ядер або іонів, електронів і нейтральних атомів, які разом пропускають електричний струм. Цей потік дозволяє плазмі реагувати на магнітні поля, які вчені використовують, щоб загнати плазму в термоядерні установки. Дослідники намагаються використовувати термоядерний синтез, який рухає сонце та зірки, для виробництва електроенергії без утворення парникових газів і довгоіснуючих радіоактивних відходів.

Техніка FPC виявляє поведінку плазми, яку раніше не спостерігали, зокрема, які частини плазми нагріваються та які фізичні процеси відповідають за це. Старі методики можуть створити лише загальні картини того, де і як нагрівається плазма.

«Одним із наших ключових висновків є те, що різні області плазми можуть по-різному реагувати на ударну хвилю», — сказала Джуно. «Тепер ми маємо більш цілісну картину того, що відбувається під час взаємодії ударних хвиль». «Це означає, що ми можемо виявити енергію конкретної частинки в певному положенні, і що ударна хвиля передає енергію в певну область плазми», — сказала Юнона. «Попередні методи не можуть розрізнити велику різноманітність процесів, які відбуваються».

Джуно та її колеги застосували техніку FPC, розроблену Грегорі Хаусом з Університету Айови, на основі даних, отриманих програмою моделювання плазми, відомою як Gkeyll (вимовляється як «Доктор Джекілл» Роберта Луїса Стівенсона). PPPL розробив код для моделювання обертання частинок плазми навколо силових ліній магнітного поля на краю плазми в термоядерних установках токамаків. Вчені постійно оновлюють програму, щоб розширити її можливості.

«Gkeyll має багато компонентів, які застосовуються до низки проблем плазми, від космічної плазми до лабораторних експериментів з термоядерного синтезу», — сказав Аммар Хакім, заступник директора лабораторії PPPL відділу обчислювальних наук. «І з новими інвестиціями Національного наукового фонду в програму Cyberinfrastructure for Sustained Science Innovation, ми вдосконалюємо Gkeyll, щоб зробити його національним ресурсом для моделювання плазми».

Вчені можуть використовувати FPC, щоб збирати інформацію з поточних космічних подорожей, як-от місія NASA Magnetospheric Multiscale (MMS), яка використовує чотири супутники, що летять у формуванні в регіоні космосу, на який впливає магнітне поле Землі. «Місія MMS відкриває неймовірну можливість вивчати космічну плазму за допомогою техніки FPC», — каже Коллін Браун, дослідник з Університету Айови та співавтор статті. «Це значно розширює нашу здатність вивчати тривимірну структуру передачі енергії».

Щобільше, «одна справа — використовувати суперкомп’ютер для відтворення плазмової ударної хвилі», — сказала Юнона. «Але техніка FPC насправді може допомогти вам дізнатися щось нове про світ. І це захоплююче». Джерело