Experimentos de Caltech descobriram um estado de dupla hélice estável em plasma cordas de fluxo. Os mesmos princípios explicam estruturas cósmicas, como a nebulosa dupla hélice.
Pesquisas sobre a atmosfera externa do Sol levaram o professor de física aplicada da Caltech Paul Bellan e seu ex -estudante de graduação Yang Zhang (PhD ’24) a identificar um estado de equilíbrio anteriormente desconhecido dos campos magnéticos e o plasma que eles contêm. A coroa photo voltaic, a camada atmosférica mais externa do Sol, é muito menos densa que a superfície, mas atinge as temperaturas um milhão de vezes mais.
Esta região é dominada por poderosos campos magnéticos que prendem o plasma, uma mistura quente de partículas carregadas (elétrons e íons). O equilíbrio recém -identificado, conhecido como dupla hélice, não se limita à coroa, mas também aparece em sistemas cósmicos muito maiores, incluindo a nebulosa dupla hélice perto do centro do Through Láctea.
A atividade photo voltaic como os quedas geralmente assume a forma de cordas de fluxo magnético, que são tubos torcidos de campo magnético cheio de plasma. Uma maneira de imaginar uma corda de fluxo é imaginar uma mangueira de jardim cheia de plasma e embrulhada em uma faixa em espiral. Ao longo da mangueira, executa uma corrente elétrica, enquanto a espiral representa o campo magnético helicoidal ao seu redor. Como o plasma carrega carga elétrica, ela conduz a corrente e fica ligada – ou “congelada” – ao campo magnético.
Essas cordas de fluxo magnéticas aparecem em uma gama notável de escalas, de pequenas configurações de laboratório a enormes explosões solares que abrangem centenas de milhares de quilômetros. Na astrofísica, estruturas semelhantes de corda podem se estender por centenas ou até milhares de anos-luz.
Criando tranças de plasma no laboratório
Dentro de uma grande câmara de vácuo, Bellan e Zhang (agora um NASA Jack Eddy Pós -doutorado em Princeton) criou versões em miniatura de explosões solares medindo apenas 10 a 50 centímetros de comprimento. Yang descreve o processo: “Temos dois eletrodos dentro da câmara de vácuo, que possui bobinas produzindo um campo magnético que abrange os eletrodos. Em seguida, aplicamos alta tensão nos eletrodos para ionizar o gás inicialmente neutro para formar um plasma.
Nesta configuração, duas cordas de fluxo entrelaçam para formar uma hélice dupla. Notavelmente, essa formação trançada foi considerada auto-estabilizadora-manteve sua forma sem apertar ou desvendar. Em sua publicação recente, Zhang e Bellan mostram que esse estado de equilíbrio pode ser descrito e previsto matematicamente com precisão.
Embora a física das cordas de fluxo única esteja bem documentada, muito menos se sabia sobre cordas de fluxo trançado, principalmente nos casos em que as correntes elétricas em ambos os fios fluem na mesma direção. Estudos anteriores modelaram principalmente o caso alternativo, com correntes se movendo em direções opostas, mas acredita -se que isso seja incomum em ambientes astrofísicos reais.
O padrão atual da mesma direção é de interesse especial, porque, em teoria, deve ser vulnerável à distorção através de torções ou expansão acionada pelas forças de argola-efeitos que os cientistas observaram em tranças solares e experimentos de plasma baseados em laboratório. Por outro lado, quando as correntes fluem em direções opostas (um estado de “sem corrente”), não se espera que essas distorções ocorram.
Repensando as suposições sobre a fusão
Anteriormente, os cientistas assumiram que as cordas de fluxo trançadas, onde os fios têm corrente fluindo na mesma direção sempre se fundiriam, porque as correntes paralelas se atraem magneticamente. No entanto, em 2010, os pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos descobriram que tais cordas de fluxo se deparam com as outras quando se aproximam.
“Havia claramente algo mais complicado acontecendo quando as cordas do fluxo são trançadas, e agora mostramos o que é isso”, diz Bellan. “You probably have electrical currents flowing alongside two helical wires that wrap round one another to kind a braided construction, as seen in our lab, the elements of the 2 currents flowing alongside the size of the 2 wires are parallel and entice, however the elements of the 2 currents flowing within the wrapping route are anti-parallel and repel. This mixture of each engaging and repulsive forces means there might be a important helical angle at which these opposing forces stability, Produzindo um equilíbrio.
Construindo um modelo matemático
A próxima tarefa period criar um modelo matemático desse comportamento – algo que não foi feito anteriormente. Usando o que Bellan descreve como “matemática da força bruta”, Zhang criou um conjunto de equações que poderiam se aplicar a vários tubos de fluxo em várias configurações, incluindo cordas trançadas, e mostrou que existe de fato um estado em que as forças atraentes e repulsivas se equilibram, criando um equilíbrio. “E como um bônus inesperado, Yang pode calcular os campos magnéticos dentro e fora das cordas de fluxo, e a corrente e a pressão dentro deles”, diz Bellan, “dando -nos uma imagem completa do comportamento dessas estruturas trançadas”.
Zhang testou seu modelo matemático contra a nebulosa dupla hélice, uma formação astrofísica de plasma localizada a 25.000 anos-luz da Terra que cobre um 70 ano-luz Swath of House, para ver se as equações poderiam descrever um modelo grande, bem como as estruturas que ele e Bellan criaram no laboratório. “O que foi incrível nesse cálculo é que Yang realmente não precisava saber muito sobre a nebulosa”, diz Bellan.
“Apenas conhecendo o diâmetro dos fios e a periodicidade da torção, números que podem ser observados astronomicamente, Yang foi capaz de prever o ângulo de torção que produzia uma estrutura de equilíbrio, e que period consistente com a fábrica da nebulosa. Um dos magnetizados mais emocionantes desta pesquisa é que a magneto -hidrodinâmica, a teoria dos magnetizeds, os magnetizados. Isso pensei que os fenômenos de estruturas magnéticas em diferentes escalas eram qualitativamente semelhantes, mas como seus tamanhos são tão diferentes, eles não poderiam ser descritos pelas mesmas equações.
Referência: “Magnetic Double Helix”, de Yang Zhang e Paul M. Bellan, 30 de julho de 2025, Cartas de revisão física.
Doi: 10.1103/sz9k-6l22
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