जटिल सार्वभौमिक प्रक्रिया की समझ को गहरा करने के लिए एक रोडमैप

एस्ट्रोफिजिकल प्लाज़्मा में चुंबकीय टोपोलॉजी को संरक्षित करने की उल्लेखनीय क्षमता है, जो अनिवार्य रूप से वर्तमान शीट सहित तनावग्रस्त क्षेत्रों के भीतर चुंबकीय ऊर्जा के संचय को जन्म देती है। यह संग्रहीत ऊर्जा अक्सर चुंबकीय पुन: संयोजन की प्रक्रिया के माध्यम से विस्फोटक रूप से जारी की जाती है, जो उच्च गति प्रवाह, थर्मल हीटिंग और गैर-थर्मल कण त्वरण के साथ चुंबकीय क्षेत्र का पुन: संयोजन उत्पन्न करती है।

चुंबकीय पुन: संयोजन पूरे ब्रह्मांड में विस्फोटक घटनाओं को ट्रिगर करता है, जिससे सौर फ्लेयर्स और अंतरिक्ष तूफान पैदा होते हैं जो मोबाइल फोन सेवा और विद्युत पावर ग्रिड को नीचे ले जा सकते हैं। यह प्रक्रिया एक पेचीदा प्रक्रिया बनी रही।

अब यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी (डीओई) प्रिंसटन प्लाज़्मा फिजिक्स लेबोरेटरी (पीपीपीएल) के वैज्ञानिकों ने इस पहेली के एक प्रमुख पहलू को सुलझाने के लिए एक रोडमैप विस्तृत किया है जो ब्रह्मांड के कामकाज में अंतर्दृष्टि को गहरा कर सकता है।

पुन: संयोजन चुंबकीय क्षेत्र की ऊर्जा को खगोलभौतिकीय प्लाज़्मा में कण विस्फोट में परिवर्तित कर देता है और चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं को विस्फोटक रूप से पुन: जोड़ता है – एक प्रक्रिया जो अपव्यय क्षेत्रों के भीतर होती है जो अक्सर उन क्षेत्रों की तुलना में बहुत छोटे होते हैं जो वे प्रभावित करते हैं।

“प्लाज्मा को फिर से जुड़ना पसंद नहीं है,” पीपीपीएल भौतिक विज्ञानी और प्रिंसटन विश्वविद्यालय के प्रोफेसर हंताओ जी ने कहा, जो नेचर रिव्यू फिजिक्स में रोडमैप का विवरण देने वाले पेपर के पहले लेखक हैं। “हालांकि, चुंबकीय क्षेत्र पर्याप्त रूप से तनावग्रस्त होने पर पुन: संयोजन होता है,” उन्होंने कहा। “अपव्यय पैमाने छोटे होते हैं जबकि ज्योतिषीय पैमाने बहुत बड़े होते हैं और लाखों मील तक फैल सकते हैं। एक बहु-स्तरीय तंत्र के माध्यम से इन पैमानों को पाटने का एक तरीका खोजना, पुन: संयोजन पहेली को हल करने की कुंजी है। ”

रोडमैप मल्टीस्केल क्षमताओं के साथ विकासशील प्रौद्योगिकियों की भूमिका को रेखांकित करता है, जैसे कि प्रयोगशाला पुन: संयोजन प्रयोग (फ्लेयर) के लिए सुविधा, हाल ही में स्थापित सहयोगी सुविधा जिसे उन्नत किया जा रहा है और प्रयोगशाला प्रयोगों के लिए सुलभ होने से पहले चुंबकीय पुन: संयोजन के पहलुओं की जांच नहीं करेगा। इन प्रयोगों को लागू करना आने वाले एक्सस्केल सुपर कंप्यूटरों पर सिमुलेशन होगा जो वर्तमान कंप्यूटरों की तुलना में दस गुना तेज होगा। “उम्मीद है कि फ्लेयर और एक्सास्केल कंप्यूटिंग साथ-साथ चलेंगे,” जी ने कहा।

पीपीपीएल रोडमैप का कार्य सिद्धांत यह है कि कई प्लास्मोइड या चुंबकीय द्वीप जो लंबी प्लाज्मा करंट शीट्स के साथ पुन: संयोजन से उत्पन्न होते हैं, वे पैमाने की विशाल श्रृंखला को पाट सकते हैं। इस तरह के प्लास्मोइड प्रभावित पुन: संयोजन क्षेत्र के अधिक निकटता से मेल खाते हैं, इस सिद्धांत के पहले परीक्षण प्रदान करने और प्रतिस्पर्धी परिकल्पनाओं का मूल्यांकन करने के लिए बहुस्तरीय प्रयोगशाला प्रयोगों की योजना बनाई गई है।

“Exascale हमें उच्च-निष्ठा वाले FLARE प्रयोगों के आधार पर अधिक विश्वसनीय सिमुलेशन करने की अनुमति देगा,” पेपर के सह-लेखक पीपीपीएल भौतिक विज्ञानी जोंगसू यू ने कहा। नई मशीन का बढ़ा हुआ आकार और शक्ति – इसका व्यास स्पोर्ट्स-यूटिलिटी-वाहन के आकार के चुंबकीय पुन: संयोजन प्रयोग (MRX), PPPL के लंबे समय से चले आ रहे प्रयोगशाला प्रयोग से दोगुना होगा – और वैज्ञानिकों को प्रकृति में पुन: संयोजन को दोहराने में सक्षम करेगा। अधिक ईमानदारी से।

“फ्लेयर कई पुन: संयोजन बिंदुओं के साथ एमआरएक्स की तुलना में व्यापक खगोलीय व्यवस्थाओं तक पहुंच सकता है और पुन: संयोजन के दौरान क्षेत्र ज्यामिति को माप सकता है,” लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी के एक कम्प्यूटेशनल वैज्ञानिक और पेपर के सह-लेखक विलियम डॉटन ने कहा। “इस भौतिकी को समझना यह भविष्यवाणी करने के लिए महत्वपूर्ण है कि सौर फ्लेयर्स में पुन: संयोजन कैसे होता है,” उन्होंने कहा।

मुख्य चुनौती

आने वाले प्रयोगों के लिए एक प्रमुख चुनौती प्रतिबंधात्मक धारणाओं से मुक्त नई उच्च-रिज़ॉल्यूशन डायग्नोस्टिक सिस्टम का नवाचार करना होगा। एक बार विकसित होने के बाद, ये प्रणालियां फ्लेयर को उपग्रह दृष्टि पर निर्माण करने में सक्षम बनाती हैं जैसे कि मैग्नेटोस्फेरिक मल्टीस्केल मिशन द्वारा निर्मित, पृथ्वी के चारों ओर स्थित मैग्नेटोस्फीयर चुंबकीय क्षेत्र में पुन: संयोजन का अध्ययन करने के लिए 2015 में लॉन्च किए गए चार अंतरिक्ष यान का एक बेड़ा।

“मल्टीस्केल फिजिक्स को समझने में प्रगति आने वाले दशक में इस तरह के डायग्नोस्टिक सिस्टम के नवाचार और कुशल कार्यान्वयन पर निर्भर करती है।” कागज ने कहा। नए निष्कर्ष खुले प्रश्नों को संबोधित करेंगे जिनमें शामिल हैं:

  • पुन: कनेक्शन वास्तव में कैसे शुरू होता है?
  • विस्फोटक प्लाज्मा कण कैसे गर्म और त्वरित होते हैं?
  • संबंधित प्रक्रियाओं जैसे अशांति और अंतरिक्ष झटके में पुन: संयोजन क्या भूमिका निभाता है?

कुल मिलाकर, “पेपर मल्टीस्केल समस्या को हल करने के तरीकों के साथ संपूर्ण अंतरिक्ष भौतिकी और खगोल भौतिकी समुदायों को प्रदान करने की योजना तैयार करता है,” यू ने कहा। ऐसा समाधान पूरे ब्रह्मांड में बड़ी प्रणालियों में चुंबकीय पुन: संयोजन की अधिक संपूर्ण समझ की दिशा में एक बड़ा कदम होगा।

जर्नल संदर्भ

  1. हंताओ जी, विलियम डॉटन, जोंगसू यू। एक्सास्केल कंप्यूटिंग और मल्टीस्केल प्रयोगों के युग में चुंबकीय पुन: संयोजन। नेट रेव फिज 4, 263-282 (2022)। डीओआई: 10.1038 / s42254-021-00419-x

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