Phoebe Newman 
Zrzut ekranu z Laboratorium Obrazów Konceptualnych NASA na temat „Ponownego połączenia magnetycznego w Układzie Słonecznym”. Ponowne połączenie magnetyczne występuje, gdy równoległe pola magnetyczne – występujące w tym przypadku w rozbłyskach słonecznych – zderzają się, pękają i ponownie ustawiają. Proces ten powoduje eksplozję o wysokiej energii, która katapultuje cząstki w przestrzeni. Źródło: NASA Conceptual Image Lab
Naukowcy używają potężnych laserów do tworzenia miniaturowych rozbłysków słonecznych w celu zbadania procesu ponownego połączenia magnetycznego.
Naukowcy wykorzystali dwanaście wysokoenergetycznych wiązek laserowych do symulacji minirozbłysków słonecznych w celu zbadania podstawowych mechanizmów rekoneksji magnetycznej, fundamentalnego zjawiska astronomicznego.
Wbrew powszechnemu przekonaniu wszechświat nie jest pusty. Pomimo wyrażenia „ogromna pustka przestrzeni”, wszechświat jest wypełniony różnymi materiałami, takimi jak naładowane cząstki, gazy i promienie kosmiczne. Chociaż ciała niebieskie mogą wydawać się rzadkie, wszechświat tętni życiem.
Jednym z takich pędów cząstek i energii w przestrzeni jest zjawisko zwane rekoneksją magnetyczną. Jak sama nazwa wskazuje, ponowne połączenie magnetyczne ma miejsce, gdy dwa równoległe pola magnetyczne — jak w przypadku dwóch pól magnetycznych poruszających się w przeciwnych kierunkach — zderzają się, pękają i ponownie ustawiają. Choć wydaje się nieszkodliwy, daleko mu do spokoju.
Zjawisko to jest widoczne w całym wszechświecie. W domu można je zobaczyć w rozbłyskach słonecznych lub w ziemskiej magnetosferze. Taichi Morita, profesor nadzwyczajny w Uniwersytet Kiusiu Wydział Nauk Inżynierskich i pierwszy autor opracowania. „W rzeczywistości zorza polarna powstaje w wyniku wyrzucania naładowanych cząstek w wyniku ponownego połączenia magnetycznego w ziemskim polu magnetycznym”.
Jednak, chociaż występuje powszechnie, wiele mechanizmów stojących za tym zjawiskiem pozostaje tajemnicą. Prowadzone są badania m.in[{” 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.
