天文科学

想知道太阳耀斑的奥秘?美国国家航空航天局来告诉你!

短短几分钟内,太阳上的一次耀斑可以释放出足够供整个世界运转20,000年的能量。一种称为磁重联的爆炸过程触发了这些太阳耀斑,科学家们在过去的半个世纪里一直试图了解这个过程是如何发生的。

太阳耀斑

太阳耀斑

这不仅仅是一种科学上的好奇心:对磁场重联的更全面理解可以让人们深入了解核聚变,并更好地预测来自太阳的粒子风暴,这些风暴可能会影响地球轨道技术。

1989年8月16日太阳耀斑影响微芯片

1989年8月16日太阳耀斑影响微芯片

现在,美国国家航空航天局( NASA )磁层多尺度任务( Magnetospheric Multiscale, MMS )的科学家认为他们已经明白了其中的奥秘。科学家们已经研究出一种理论,解释了最具爆炸性的磁性重联类型(称为快速重联)是如何发生的,以及为什么它以恒定的速度发生。

“我们终于明白是什么让这种类型的磁重联如此之快,”新研究的主要作者刘毅心说,他是新罕布什尔州达特茅斯学院的物理学教授,也是 MMS 理论和建模团队的副主任。“我们现在有一个理论来充分解释它。”

磁重联是等离子体(有时称为物质的第四状态)中发生的一个过程,当气体被激发到足以分解其原子时,就会形成等离子体,留下带负电的电子和带正电的离子杂乱无章地并排存在着。这种高能的流体状材料对磁场非常敏感。

等離子體

等离子体

从太阳耀斑到近地空间,再到黑洞,整个宇宙中的等离子体都会经历磁重联,从而迅速将磁能转化为热能和加速度。虽然磁重联有好几种类型,但有一种特别令人费解的变体被称为快速重联,它以可预测的速度发生。

这项新研究发表在《自然通讯物理学杂志》上的一篇论文中,解释了重联在无碰撞等离子体中发生的速度为何怎么这么快:一种等离子体,其粒子扩散得足够大,单个粒子不会相互碰撞。在太空中发生重新连接的地方,大多数等离子体都处于这种无碰撞状态,包括太阳耀斑中的等离子体和地球周围的空间。

新理论显示了霍尔效应如何以及为什么会加速快速重联,霍尔效应描述了磁场和电流之间的相互作用。霍尔效应是一种常见的磁性现象,用于日常技术,如车轮速度传感器和 3D 打印机等。

霍尔效应基础模型

霍尔效应基础模型

在快速磁重联过程中,等离子体中的带电粒子(即离子和电子)作为一个整体停止移动。当离子和电子开始分开移动时,它们会产生霍尔效应,从而产生不稳定的能量真空,在那里发生重新连接。来自能量真空周围磁场的压力导致真空内爆,从而以可预测的速度迅速释放大量能量。

中国紫金山天文台观测到的耀斑磁重联重要证据

中国紫金山天文台观测到的耀斑磁重联重要证据

新理论将在未来几年与 MMS ( Magnetospheric Multiscale )一起进行测试, MMS 使用四艘航天器以棱锥体形式绕地球飞行,研究无碰撞等离子体中的磁重联。与地球上相比,MMS 在这个独特的太空实验室中可以以更高的分辨率研究磁重联。


参考文献:

[1]MMS – Magnetospheric Multiscale | NASA

[2]First-principles theory of the rate of magnetic reconnection in magnetospheric and solar plasmas | Communications Physics (nature.com)

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1 Comment

  1. 磁能转化,很有开发潜力的感觉。本身地球也有磁场,或许加以利用。

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