In slechts enkele minuten kan een zonnevlam genoeg energie vrijmaken om de hele wereld gedurende 20.000 jaar van energie te voorzien. Deze zonnevlammen worden veroorzaakt door een explosief proces dat magnetische herverbinding wordt genoemd, en wetenschappers hebben de afgelopen halve eeuw geprobeerd te begrijpen hoe dit proces in zijn werk gaat.
Het is niet alleen een wetenschappelijke curiositeit: Een beter begrip van magnetische reconnectie kan inzicht geven in kernfusie en betere voorspellingen opleveren van deeltjesstormen van de zon die de technologie op aarde kunnen beïnvloeden. Nu denken wetenschappers van NASA's Magnetospheric Multiscale Mission, of MMS, dat ze het hebben uitgevonden. De wetenschappers hebben een theorie ontwikkeld die verklaart hoe de meest explosieve vorm van magnetische reconnectie - snelle reconnectie genaamd - plaatsvindt en waarom dit met een constante snelheid gebeurt. De nieuwe theorie maakt gebruik van een algemeen magnetisch effect dat wordt gebruikt in huishoudelijke apparaten, zoals sensoren die het antiblokkeerremsysteem van auto's timen en weten wanneer een klepje van een mobiele telefoon is gesloten. "We begrijpen eindelijk wat dit type magnetische herverbinding zo snel maakt," zegt hoofdauteur van de nieuwe studie Yi-Hsin Liu, een natuurkundeprofessor aan het Dartmouth College in New Hampshire en de plaatsvervangend leider van het theorie- en modelleringsteam van MMS. "We hebben nu een theorie om het volledig te verklaren."
Magnetische reconnectie is een proces dat optreedt in plasma, soms ook wel de vierde toestand van materie genoemd. Plasma vormt zich wanneer een gas onder voldoende energie is gezet om de atomen uit elkaar te trekken, zodat er een bonte verzameling van negatief geladen elektronen en positief geladen ionen naast elkaar overblijft. Deze energetische, vloeistofachtige materie is buitengewoon gevoelig voor magnetische velden. Van zonnevlammen op de zon tot de ruimte nabij de aarde en zwarte gaten, overal in het heelal ondergaan plasma's magnetische herverbinding, waarbij magnetische energie snel wordt omgezet in warmte en versnelling. Er zijn verschillende soorten magnetische herverbinding, maar één variant is bijzonder raadselachtig en staat bekend als snelle herverbinding, die met een voorspelbare snelheid plaatsvindt.
"We weten al een tijdje dat snelle herverbinding met een bepaalde snelheid gebeurt, die vrij constant lijkt te zijn," zegt Barbara Giles, projectwetenschapper voor MMS en onderzoekswetenschapper aan NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Maar wat die snelheid werkelijk drijft, is tot nu toe een mysterie geweest. Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in een paper in Nature's Communications Physics journal en deels gefinancierd door de National Science Foundation, verklaart hoe snelle reconnectie specifiek optreedt in botsingsloze plasma's - een type plasma waarvan de deeltjes voldoende verspreid zijn dat de individuele deeltjes niet met elkaar botsen. Waar reconnectie in de ruimte plaatsvindt, bevindt het meeste plasma zich in deze botsingsloze toestand, inclusief het plasma in zonnevlammen en de ruimte rond de aarde.
De nieuwe theorie laat zien hoe en waarom snelle herverbinding waarschijnlijk wordt versneld door het Hall-effect, dat de wisselwerking tussen magnetische velden en elektrische stromen beschrijft. Het Hall-effect is een algemeen magnetisch verschijnsel dat wordt gebruikt in alledaagse technologie, zoals snelheidsensoren op auto's en 3D-printers, waar sensoren snelheid, nabijheid, plaatsbepaling of elektrische stromen meten. Tijdens een snelle magnetische herverbinding stoppen geladen deeltjes in een plasma - namelijk ionen en elektronen - met bewegen als een groep. Wanneer de ionen en elektronen afzonderlijk beginnen te bewegen, veroorzaken ze het Hall-effect, waardoor een onstabiel energievacuüm ontstaat waar herverbinding plaatsvindt. Door de druk van de magnetische velden rond het energievacuüm implodeert het vacuüm, waardoor in een voorspelbaar tempo enorme hoeveelheden energie vrijkomen.
De nieuwe theorie zal de komende jaren worden getest met MMS, dat gebruik maakt van vier ruimtevaartuigen die in een piramideformatie rond de aarde vliegen om magnetische herverbinding in botsingsloze plasma's te bestuderen. In dit unieke ruimtelaboratorium kan MMS magnetische reconnectie bestuderen met een hogere resolutie dan op aarde mogelijk zou zijn.
"Uiteindelijk, als we kunnen begrijpen hoe magnetische herverbinding werkt, kunnen we gebeurtenissen die ons op aarde kunnen treffen, zoals geomagnetische stormen en zonnevlammen, beter voorspellen," zei Giles. "En als we kunnen begrijpen hoe reconnectie in gang wordt gezet, zal dat ook het energieonderzoek helpen, omdat onderzoekers de magnetische velden in fusie-apparaten beter kunnen controleren."
Bron: NASA
