NASA MMS破解了60年来的快速磁爆之谜

来源:cnBeta | 2022-05-06 15:17:27 |

在短短几分钟内,太阳上的耀斑就可以释放出足够的能量来为整个世界供电2万年。这些太阳耀斑是由一个被称为磁重联的爆炸过程引发的,而科学家们在过去的半个世纪里一直试图弄清楚它是如何工作的。

这也不仅仅是一个出于科学层面上的好奇心。对磁重联更全面的了解可以让人们了解核聚变并对可能影响地球轨道技术的来自太阳的粒子风暴提供更好的预测。

现在,NASA磁层多尺度任务(MMS)的科学家们认为他们已经搞清楚了。研究人员已经开发了一个理论并解释了最具爆炸的磁重联类型--称为快速重联--是如何发生的及为什么它以一致的速度发生。新理论使用了一种常见的磁效应,这种效应被用于家用设备,如为汽车防抱死制动系统计时和知道手机翻盖何时关闭的传感器。

这项新研究的论文第一作者、新罕布什尔州达特茅斯学院的物理学教授、MMS理论和建模小组的副组长Yi-Hsin Liu说道:“我们终于明白是什么让这种类型的磁重联如此快速。我们现在有一个理论来充分解释它。”

磁重联是发生在等离子体中的一个过程,有时被称为物质的第四状态。当一种气体被赋予足够的能量进而使其原子破裂并留下带负电的电子和带正电的离子并排存在的杂物时,则就会形成等离子体。这种有能量的、类似流体的物质对磁场非常敏感。

从太阳上的耀斑到地空间再到黑洞,整个宇宙中的等离子体都在进行磁重联,它将磁能迅速转化为热量和加速度。虽然有几种类型的磁重联,但有一种特别令人困惑的变体被称为快速重联,它以可预测的速度发生。

MMS项目科学家、位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的研究科学家Barbara Giles说道:“我们已经知道快速重联以某种速度发生,似乎是相当恒定的。但直到现在,真正驱动这一速度的因素一直是个谜。”

这个可视化图显示了霍尔效应,当较重的离子(蓝色)的运动跟较轻的电子(红色)进入有强电流的区域(金色区域)时,霍尔效应就会发生。

这项新的研究已发表在《自然》的《通信物理学》上,其部分由美国国家科学基金会资助,文章解释了快速重联是如何在无碰撞等离子体中具体发生的。在空间发生重联的地方,大多数等离子体都处于这种无碰撞状态,其中包括太阳耀斑中的等离子体和地球周围的空间。

新理论显示了快速重联是如何及为什么可能被霍尔效应加速。霍尔效应是一种常见的磁现象,用于日常技术,如汽车车轮速度传感器和3D打印机,其中传感器负责测量速度、接度、定位或电流。

在快速磁重联期间,等离子体中的带电粒子--即离子和电子--停止作为一个群体移动。当离子和电子开始单独运动时,它们产生了霍尔效应并创造了一个不稳定的能量真空--在那里发生了重联。来自能量真空周围磁场的压力则会导致真空内爆,从而以可预测的速度迅速释放巨大的能量。

这一新理论将在未来几年内通过MMS进行测试。据了解,MMS使用四个航天器以金字塔形式围绕地球飞行以研究无碰撞等离子体中的磁重联。在这个独特的空间实验室里,MMS能以比地球上更高的分辨率研究磁重联。

Giles说道:“最终,如果我们能够理解磁重联是如何运作的,那么我们就可以更好地预测那些可能影响我们地球的事件如地磁暴和太阳耀斑。并且,如果我们能够理解重联是如何启动的,它还将有助于能源研究,因为研究人员可以更好地控制聚变装置中的磁场。”

关键词: 快速磁暴 太阳耀斑 磁重联现象 霍尔效应


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