Een bolbliksem (Illustratie: Mikko Möttönen, @mpmotton).

Is de oplossing voor het mysterie van de bolbliksems een skyrmion, een kluwen magnetische velden rond plasma?

Onderzoekers zijn er voor het eerst in geslaagd de magnetische velden van een supergekoeld kwantum-object in een complexe speciale knoop te binden. Dat kwantum-fenomeen heeft een aantal eigenschappen waarvan gedacht wordt dat ze ook voorkomen bij de raadselachtige bolbliksems, en kan een verklaring vormen voor hun ontstaan. Volgens de natuurkundigen kan hun onderzoek op termijn leiden tot meer efficiënte manieren om plasma samen te houden, wat kan leiden tot het creëren van stabielere fusiereactoren. 

De bizarre, complexe knoop waarvan er sprake is, is een kwantum-object dat een "Shankar skyrmion" genoemd wordt. Het bestaan daarvan werd voor het eerst theoretisch vooropgesteld in 1977, maar tot nu was nog niemand erin geslaagd er in een labo een te fabriceren. Nu is dat natuurkundigen van de Aalto University in Finland en het Amerikaanse Amherst College in Massachusetts wel gelukt, en ze hebben het fenomeen ook kunnen fotograferen. 

Een skyrmion is een dicht aaneengesloten groep van cirkelvormige magnetische velden, waarbij elke cirkel elke andere cirkel precies een keer kruist. Men kan het zich voorstellen als een sleutelring, waaraan men een tweede sleutelring hangt. Vervolgens voegt men nog ringen toe, waarbij de nieuwe ring telkens al de andere insluit. De vorm die men dan krijgt, zou eruit zien als de magnetische velden van een skyrmion.

Maar een skyrmion verschilt van de sleutelringen in een belangrijk opzicht: hij is verwrongen. De in elkaar hakende magnetische lijnen draaien zich twee keer in de loop van hun weg, zodat een mini-ruimtescheepje dat een dergelijke lijn zou volgen, in de loop van de baan twee keer rond zijn as zou draaien. 

De in elkaar hakende magnetische lijnen van het Shankar skyrmion (Illustratie: Science Advances/Creative Commons).

Bose-einsteincondensaat

De onderzoekers bouwden het skyrmion op uit een wolk van atomen die supergekoeld werden tot een dichte klont die een bose-einsteincondensaat genoemd wordt. Dat is een toestand van materie die enkel tevoorschijn komt tegen het absolute nulpunt aan, waarbij de grenzen tussen atomen beginnen te versmelten, en waarbij zich kwantumeffecten beginnen voor te doen niet op de piepkleine schaal waarop dat normaal het geval is, maar op een schaal die wij mensen makkelijker kunnen opsporen en observeren. 

"Het kwantumgas wordt afgekoeld tot een zeer lage temperatuur, waarop het een bose-einsteincondensaat vormt: alle atomen in het gas belanden in een staat van minimale energie. Die toestand gedraagt zich niet meer als een gas maar als een enkel gigantisch atoom", zei doctor David Hall aan Sputniknews. Hall is professor aan het Amherst College en een van de auteurs van de studie. 

Met technieken die ontwikkeld werden om een exotische klasse van kwantummagneten te bouwen, gaven de onderzoekers de spin of de magnetische oriëntatie van de atomen in het condensaat duwtjes, tot de in elkaar hakende ringen van het skyrmion verschenen, zo zeiden ze in Live Science. En op dat ogenblik werd het duidelijk dat het skyrmion een goed model zou kunnen zijn voor bolbliksems.  

Een gravure uit de 19e eeuw van vier mannen die opgeschrikt worden door een bolbliksem die de kamer binnenkomt.

Bolbliksems

Bolbliksems zijn een zeldzaam weerfenomeen waarover weinig bekend is. Het gaat om felgekleurde oplichtende bolvormige objecten die meestal verschijnen tijdens zwaar onweer, maar soms ook bij helder weer. Ze lijken door de lucht te schieten, en blijven seconden lang zichtbaar, veel langer dan een gewone bliksemschicht. 

De bollen, meestal zo groot als een tennisbal, soms zo groot als een voetbal en uitzonderlijk ook veel groter, kunnen in huizen doordringen, langs een schoorsteen, een raam of een deur. Er zijn zelfs meldingen van bolbliksems die door een gesloten raam binnenkomen, soms met schade als gevolg, soms zonder enig spoor na te laten.  

Tijdens een onweer is het fenomeen, dat uiteindelijk toch maar enkele seconden duurt en bijzonder onvoorspelbaar is, zo goed als niet te bestuderen, en er zijn dan ook pogingen ondernomen om in laboratoria bolbliksems te creëren. Een beperkt aantal daarvan is ook geslaagd, maar die geven geen verklaring voor waaruit bolbliksems in de natuur zouden bestaan, of hoe ze kunnen ontstaan. Er zijn wel een aantal hypothesen, maar er blijven veel vraagtekens.

Vaak wordt aangenomen dat een bolbliksem bestaat uit plasma, een toestand van materie waarbij een groot deel van de atomen geïoniseerd is - wat wil zeggen dat de atomen elektronen kwijtgeraakt zijn en een ion geworden zijn, een deeltje met een positieve lading. De elektronen kunnen vrij rondbewegen, waardoor plasma een elektrische lading heeft, en meestal is het ook erg heet. Er wordt ook aangenomen dat bliksem het ontstaan van plasma kan veroorzaken. 

Een opmerkelijke bolbliksem in Maastricht op 28 juni 2011 (Foto:  Joe Thomissen/Wikimedia Commons).

Magnetische velden

In 1996 stelde een studie in "Nature" al voor dat bolbliksems het resultaat konden zijn van magnetische velden rond het plasma van een bliksemschicht, die zich in een knoop legden en het plasma in zich gevangen hielden, en de studie stelde ook een model voor van hoe die ineen gehaakte velden er zouden kunnen uitzien. 

De onderzoekers zeggen nu dat de velden die ze geobserveerd hebben rond hun koude, kleine skyrmion, overeenkomen met het model dat in de studie voorgesteld werd. Dat betekent volgens hen dat de hete bolbliksems in feite gigantische, natuurlijk voorkomende skyrmions zijn. 

"Het is opmerkelijk dat we de synthetische elektromagnetische knoop - dat wil zeggen een kwantum-bolbliksem - is essentie met slechts twee, tegen elkaar in circulerende, elektrische stromen konden creëren. En daarom kan het mogelijk zijn dat een natuurlijke bolbliksem kan ontstaan in een normale blikseminslag", zei mede-auteur doctor Mikko Möttönen.  

Volgens Möttönen kunnen verdere studies naar het creëren van echte bolbliksems met hun methode, andere onderzoekers helpen om "een oplossing te vinden om plasma op een efficiënte manier samen te houden, en meer stabiele fusiereactoren mogelijk te maken dan we nu hebben."

De studie van de Finse en Amerikaanse onderzoekers over het skyrmion is verschenen in "Science Advances".