NASA MMS破解了60年來(lái)的快速磁爆之謎

這也不僅僅是一個(gè)出于科學(xué)層面上的好奇心。對(duì)磁重聯(lián)更全面的了解可以讓人們了解核聚變并對(duì)可能影響地球軌道技術(shù)的來(lái)自太陽(yáng)的粒子風(fēng)暴提供更好的預(yù)測(cè)。

現(xiàn)在，NASA磁層多尺度任務(wù)(MMS)的科學(xué)家們認(rèn)為他們已經(jīng)搞清楚了。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)理論并解釋了最具爆炸性的磁重聯(lián)類(lèi)型--稱(chēng)為快速重聯(lián)--是如何發(fā)生的及為什么它以一致的速度發(fā)生。新理論使用了一種常見(jiàn)的磁效應(yīng)，這種效應(yīng)被用于家用設(shè)備，如為汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)計(jì)時(shí)和知道手機(jī)翻蓋何時(shí)關(guān)閉的傳感器。

這項(xiàng)新研究的論文第一作者、新罕布什爾州達(dá)特茅斯學(xué)院的物理學(xué)教授、MMS理論和建模小組的副組長(zhǎng)Yi-Hsin Liu說(shuō)道：“我們終于明白是什么讓這種類(lèi)型的磁重聯(lián)如此快速。我們現(xiàn)在有一個(gè)理論來(lái)充分解釋它?！?/p>

磁重聯(lián)是發(fā)生在等離子體中的一個(gè)過(guò)程，有時(shí)被稱(chēng)為物質(zhì)的第四狀態(tài)。當(dāng)一種氣體被賦予足夠的能量進(jìn)而使其原子破裂并留下帶負(fù)電的電子和帶正電的離子并排存在的雜物時(shí)，則就會(huì)形成等離子體。這種有能量的、類(lèi)似流體的物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)非常敏感。

從太陽(yáng)上的耀斑到近地空間再到黑洞，整個(gè)宇宙中的等離子體都在進(jìn)行磁重聯(lián)，它將磁能迅速轉(zhuǎn)化為熱量和加速度。雖然有幾種類(lèi)型的磁重聯(lián)，但有一種特別令人困惑的變體被稱(chēng)為快速重聯(lián)，它以可預(yù)測(cè)的速度發(fā)生。

MMS項(xiàng)目科學(xué)家、位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心的研究科學(xué)家Barbara Giles說(shuō)道：“我們已經(jīng)知道快速重聯(lián)以某種速度發(fā)生，似乎是相當(dāng)恒定的。但直到現(xiàn)在，真正驅(qū)動(dòng)這一速度的因素一直是個(gè)謎?！?/p>

這個(gè)可視化圖顯示了霍爾效應(yīng)，當(dāng)較重的離子（藍(lán)色）的運(yùn)動(dòng)跟較輕的電子（紅色）進(jìn)入有強(qiáng)電流的區(qū)域（金色區(qū)域）時(shí)，霍爾效應(yīng)就會(huì)發(fā)生。

這項(xiàng)新的研究已發(fā)表在《自然》的《通信物理學(xué)》上，其部分由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助，文章解釋了快速重聯(lián)是如何在無(wú)碰撞等離子體中具體發(fā)生的。在空間發(fā)生重聯(lián)的地方，大多數(shù)等離子體都處于這種無(wú)碰撞狀態(tài)，其中包括太陽(yáng)耀斑中的等離子體和地球周?chē)目臻g。

新理論顯示了快速重聯(lián)是如何及為什么可能被霍爾效應(yīng)加速。霍爾效應(yīng)是一種常見(jiàn)的磁現(xiàn)象，用于日常技術(shù)，如汽車(chē)車(chē)輪速度傳感器和3D打印機(jī)，其中傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量速度、接近度、定位或電流。

在快速磁重聯(lián)期間，等離子體中的帶電粒子--即離子和電子--停止作為一個(gè)群體移動(dòng)。當(dāng)離子和電子開(kāi)始單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們產(chǎn)生了霍爾效應(yīng)并創(chuàng)造了一個(gè)不穩(wěn)定的能量真空--在那里發(fā)生了重聯(lián)。來(lái)自能量真空周?chē)艌?chǎng)的壓力則會(huì)導(dǎo)致真空內(nèi)爆，從而以可預(yù)測(cè)的速度迅速釋放巨大的能量。

這一新理論將在未來(lái)幾年內(nèi)通過(guò)MMS進(jìn)行測(cè)試。據(jù)了解，MMS使用四個(gè)航天器以金字塔形式圍繞地球飛行以研究無(wú)碰撞等離子體中的磁重聯(lián)。在這個(gè)獨(dú)特的空間實(shí)驗(yàn)室里，MMS能以比地球上更高的分辨率研究磁重聯(lián)。

Giles說(shuō)道：“最終，如果我們能夠理解磁重聯(lián)是如何運(yùn)作的，那么我們就可以更好地預(yù)測(cè)那些可能影響我們地球的事件如地磁暴和太陽(yáng)耀斑。并且，如果我們能夠理解重聯(lián)是如何啟動(dòng)的，它還將有助于能源研究，因?yàn)檠芯咳藛T可以更好地控制聚變裝置中的磁場(chǎng)?！?/p>