Experimenty CalTech odkryly stabilní stav dvojitého helixu v plazma Fluxová lana. Stejné principy vysvětlují kosmické struktury, jako je mlhovina dvojité helix.
Výzkum vnější atmosféry Slunce vedl Caltech aplikovaný profesor fyziky Paul Bellan a jeho bývalého postgraduálního studenta Yang Zhang (PhD ’24) k identifikaci dříve neznámého rovnovážného stavu magnetických polí a plazmy, které obsahují. Solární korona, nejvzdálenější atmosférická vrstva Slunce, je mnohem méně hustá než povrch, přesto dosahuje teploty milionkrát vyšší.
V této oblasti dominují výkonná magnetická pole, která zachycují plazmu, horká směs nabitých částic (elektrony a ionty). Nově identifikovaná rovnováha, známá jako dvojitá spirála, není omezena na koronu, ale také se objevuje v mnohem větších kosmických systémech, včetně mlhoviny dvojité šroubovice poblíž středu Mléčná dráha.
Sluneční aktivita, jako jsou světlice, často bere tvar lan magnetického toku, což jsou zkroucené zkumavky magnetického pole naplněného plazmou. Jedním ze způsobů, jak si představit lano toku, je představit si zahradní hadici naplněnou plazmou a zabaleno do spirálového pruhu. Podél hadice vede elektrický proud, zatímco spirála představuje spirálovité magnetické pole, které ji obklopuje. Protože plazma nese elektrický náboj, provádí proud a stává se vázáním – nebo „zmrazeným“ – do magnetického pole.
Tato lana magnetického toku se objevují napříč pozoruhodným rozsahem měřítek, od malých laboratorních nastavení po masivní sluneční erupce, které překračují stovky tisíc kilometrů. V astrofyzice se podobné struktury podobné lanovým lanem mohou prodloužit přes stovky nebo dokonce tisíce světelných let.
Vytváření plazmatických copánek v laboratoři
Uvnitř velké vakuové komory, Bellan a Zhang (nyní a NASA Jack Eddy Postdoctoral Fellow v Princetonu) vytvořil miniaturní verze slunečních světlic měřících pouze 10 až 50 centimetrů na délku. Yang popisuje proces: „Uvnitř vakuové komory máme dvě elektrody, která má cívky produkující magnetické pole překlenující elektrody. Potom aplikujeme vysoké napětí napříč elektrodami, abychom zpočátku neutrálním plynem vytvořili plazmu. Výsledná magnetizovaná plazmová konfigurace automaticky tvoří britskou strukturu.“
V tomto nastavení se dva toky propojují a vytvoří dvojitou šroubovici. Je pozoruhodné, že tato spletená formace byla shledána samostabilizujícím-držel svůj tvar bez utahování nebo rozpadajícího se. V jejich nedávné publikaci ukazují Zhang a Bellan, že tento rovnovážný stav lze matematicky popsat a předvídat s přesností.
Zatímco fyzika provazů s jedním tokem je dobře zdokumentována, bylo mnohem méně známo o splétaných lanech toku, zejména v případech, kdy elektrické proudy v obou pramenech proudí stejným směrem. Předchozí studie hlavně modelovaly alternativní případ, přičemž proudy se pohybovaly v opačných směrech, ale to se považuje za neobvyklé v reálném astrofyzikálním prostředí.
Vzorec proudu stejného směru je zvláštní zájem, protože by měl být teoreticky zranitelný vůči zkreslení prostřednictvím zalomení nebo expanze poháněné obručovými silami-účinky, které vědci pozorovali jak u solárních copánků, tak v laboratorních plazmatických experimentech. Naproti tomu, když proudy proudí v opačných směrech (stav „net-proudu“), neočekává se, že k těmto zkreslením dojde.
Přehodnocení předpokladů o sloučení
Dříve vědci předpokládali, že splétané lana toku, kde prameny mají proud tekla stejným směrem, by se vždy spojily, protože paralelní proudy se navzájem magneticky přitahují. V roce 2010 však vědci z Los Alamos National Laboratory zjistili, že takové toky se místo toho odrazí, když se přibližují k sobě.
„Když se to fluxové lana vyplétala, zjevně se dělo něco složitějšího a nyní jsme ukázali, co to je,“ říká Bellan. “If you have electrical currents flowing along two helical wires that wrap around each other to form a braided structure, as seen in our lab, the components of the two currents flowing along the length of the two wires are parallel and attract, but the components of the two currents flowing in the wrapping direction are anti-parallel and repel. This combination of both attractive and repulsive forces means there will be a critical helical angle at which these opposing forces balance, Pokud jde o rovnováhu.
Budování matematického modelu
Dalším úkolem bylo vytvořit matematický model tohoto chování – něco, co dříve nebylo provedeno. Zhang s použitím toho, co Bellan popisuje jako „matematiku brutální síly“, vytvořil sadu rovnic, které by se mohly vztahovat na více toků trubek v různých konfiguracích, včetně spletených lan, a ukázalo se, že skutečně existuje stav, ve kterém se atraktivní a odpudivé síly navzájem vyvažují, čímž se vytvoří rovnováha. „A jako neočekávaný bonus může Yang vypočítat magnetická pole uvnitř i vně toku lana a proud a tlak uvnitř nich,“ říká Bellan, „dává nám úplný obrázek o chování těchto spletených struktur.“
Zhang testoval svůj matematický model proti mlhovině dvojité helix, astrofyzikální tvorbu plazmy umístěné 25 000 světelných let od Země, která pokrývá 70 světelný rok Swath of Space, aby zjistil, zda by rovnice mohly popsat velký model, stejně jako struktury, které on a Bellan vytvořili v laboratoři. „Na tomto výpočtu bylo docela úžasné, že Yang opravdu nemusel o mlhovině moc vědět,“ říká Bellan.
„Jen znát průměr pramenů a periodicitu zvratu, čísla, která lze pozorovat astronomicky, byl Yang schopen předvídat úhel zvratu, který přinesl rovnovážnou strukturu, a který byl v souladu s pozorováním této mlhoviny. Fenomény magnetických struktur na různých stupnicích byly kvalitativně podobné, ale protože jejich velikosti jsou tak odlišné, nemohly být popsány stejnými rovnicemi.
Reference: „Magnetická dvojitá šroubovice“ od Yang Zhang a Paul M. Bellan, 30. července 2025, Fyzikální kontrolní dopisy.
Dva: 10.1103/SZ9K-6L22
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
