La plus grande simulation de turbulence au monde démasque le flux d’énergie dans les plasmas astrophysiques


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  • Les chercheurs ont découvert un processus de chauffage auparavant caché qui aide à expliquer comment l’atmosphère qui entoure le Soleil, appelée « couronne solaire », peut être beaucoup plus chaude que la surface solaire qui l’émet.

    La découverte au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) pourrait améliorer la résolution d’une série d’énigmes astrophysiques telles que la formation d’étoiles, l’origine des champs magnétiques à grande échelle dans l’univers et la capacité de prédire l’espace éruptif. les événements météorologiques qui peuvent perturber le service de téléphonie cellulaire et couper les réseaux électriques sur Terre. Comprendre le processus de chauffage a également des implications pour la recherche sur la fusion.

    Percée

    « Notre simulation numérique directe est la première à fournir une identification claire de ce mécanisme de chauffage dans l’espace 3D », a déclaré Chuanfei Dong, physicien au PPPL et à l’Université de Princeton, qui a démasqué le processus en effectuant 200 millions d’heures de temps informatique pour la plus grande simulation au monde de son genre. « Les instruments actuels des télescopes et des engins spatiaux n’ont peut-être pas une résolution suffisamment élevée pour identifier le processus se produisant à petite échelle », a déclaré Dong, qui détaille la percée dans le journal. Avancées scientifiques.

    L’ingrédient caché est un processus appelé reconnexion magnétique qui sépare et reconnecte violemment les champs magnétiques du plasma, la soupe d’électrons et de noyaux atomiques qui forme l’atmosphère solaire. La simulation de Dong a révélé à quel point la reconnexion rapide des lignes de champ magnétique transforme l’énergie turbulente à grande échelle en énergie interne à petite échelle. En conséquence, l’énergie turbulente est efficacement convertie en énergie thermique à petite échelle, ce qui surchauffe la couronne.

    « Pensez à mettre de la crème dans le café », a déclaré Dong. « Les gouttes de crème deviennent rapidement des volutes et des boucles fines. De même, les champs magnétiques forment de fines nappes de courant électrique qui se brisent en raison de la reconnexion magnétique. Ce processus facilite la cascade d’énergie de grande à petite échelle, rendant le processus plus efficace. dans la couronne solaire turbulente qu’on ne le pensait auparavant. »

    Lorsque le processus de reconnexion est lent alors que la cascade turbulente est rapide, la reconnexion ne peut pas affecter le transfert d’énergie à travers les échelles, a-t-il déclaré. Mais lorsque le taux de reconnexion devient suffisamment rapide pour dépasser le taux de cascade traditionnel, la reconnexion peut déplacer la cascade vers de petites échelles plus efficacement.

    Pour ce faire, il rompt et rejoint les lignes de champ magnétique pour générer des chaînes de petites lignes torsadées appelées plasmoïdes. Cela change la compréhension de la cascade d’énergie turbulente qui est largement acceptée depuis plus d’un demi-siècle, selon l’article. La nouvelle découverte lie le taux de transfert d’énergie à la vitesse de croissance des plasmoïdes, améliorant le transfert d’énergie des grandes aux petites échelles et chauffant fortement la couronne à ces échelles.

    La nouvelle découverte démontre un régime avec un nombre de Reynolds magnétique sans précédent comme dans la couronne solaire. Le grand nombre caractérise le nouveau taux de transfert d’énergie élevé de la cascade turbulente. « Plus le nombre de Reynolds magnétique est élevé, plus le transfert d’énergie basé sur la reconnexion est efficace », a déclaré Dong, qui déménage à l’Université de Boston pour occuper un poste de professeur.

    200 millions d’heures

    « Chuanfei a réalisé la plus grande simulation de turbulence de ce type au monde, qui a occupé plus de 200 millions de processeurs d’ordinateurs [central processing units] à l’installation NAS (Advanced Supercomputing) de la NASA », a déclaré le physicien PPPL Amitava Bhattacharjee, professeur de sciences astrophysiques à Princeton qui a supervisé la recherche. cascade d’énergie turbulente contrôlée par la croissance des plasmoïdes.

    « Son article dans la revue à fort impact Avancées scientifiques complète le programme de calcul qu’il a commencé avec ses premiers résultats 2D publiés dans Lettres d’examen physique. Ces articles forment une coda pour le travail impressionnant que Chuanfei a accompli en tant que membre du Princeton Center for Heliophysics », une installation conjointe de Princeton et PPPL. « Nous sommes reconnaissants pour un PPPL LDRD [Laboratory Directed Research & Development] subvention qui a facilité ce travail, et au programme High-End Computing (HEC) de la NASA pour sa généreuse allocation de temps informatique. »

    L’impact de cette découverte dans les systèmes astrophysiques à différentes échelles peut être exploré avec les engins spatiaux et les télescopes actuels et futurs. Déballer le processus de transfert d’énergie à travers les échelles sera crucial pour résoudre les principaux mystères cosmiques, selon le document.

    Le financement de l’article provient du DOE Office of Science (FES) et de la NASA, avec des ressources informatiques fournies par le HEC de la NASA en collaboration avec le National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Office of Science et le NSF-sponsored Computational and Laboratoire des systèmes d’information. Les co-auteurs de l’article étaient des chercheurs du PPPL, des universités de Princeton et de Columbia et du centre de recherche Ames de la NASA.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par DOE/Laboratoire de physique des plasmas de Princeton. Original écrit par John Greenwald. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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