NASA MMS破解了60年來的快速磁爆之謎

這也不僅僅是一個出于科學層面上的好奇心。對磁重聯更全面的了解可以讓人們了解核聚變并對可能影響地球軌道技術的來自太陽的粒子風暴提供更好的預測。

現在，NASA磁層多尺度任務(MMS)的科學家們認為他們已經搞清楚了。研究人員已經開發了一個理論并解釋了最具爆炸性的磁重聯類型--稱為快速重聯--是如何發生的及為什么它以一致的速度發生。新理論使用了一種常見的磁效應，這種效應被用于家用設備，如為汽車防抱死制動系統計時和知道手機翻蓋何時關閉的傳感器。

這項新研究的論文第一作者、新罕布什爾州達特茅斯學院的物理學教授、MMS理論和建模小組的副組長Yi-Hsin Liu說道：“我們終于明白是什么讓這種類型的磁重聯如此快速。我們現在有一個理論來充分解釋它。”

磁重聯是發生在等離子體中的一個過程，有時被稱為物質的第四狀態。當一種氣體被賦予足夠的能量進而使其原子破裂并留下帶負電的電子和帶正電的離子并排存在的雜物時，則就會形成等離子體。這種有能量的、類似流體的物質對磁場非常敏感。

從太陽上的耀斑到近地空間再到黑洞，整個宇宙中的等離子體都在進行磁重聯，它將磁能迅速轉化為熱量和加速度。雖然有幾種類型的磁重聯，但有一種特別令人困惑的變體被稱為快速重聯，它以可預測的速度發生。

MMS項目科學家、位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心的研究科學家Barbara Giles說道：“我們已經知道快速重聯以某種速度發生，似乎是相當恒定的。但直到現在，真正驅動這一速度的因素一直是個謎。”

這個可視化圖顯示了霍爾效應，當較重的離子（藍色）的運動跟較輕的電子（紅色）進入有強電流的區域（金色區域）時，霍爾效應就會發生。

這項新的研究已發表在《自然》的《通信物理學》上，其部分由美國國家科學基金會資助，文章解釋了快速重聯是如何在無碰撞等離子體中具體發生的。在空間發生重聯的地方，大多數等離子體都處于這種無碰撞狀態，其中包括太陽耀斑中的等離子體和地球周圍的空間。

新理論顯示了快速重聯是如何及為什么可能被霍爾效應加速。霍爾效應是一種常見的磁現象，用于日常技術，如汽車車輪速度傳感器和3D打印機，其中傳感器負責測量速度、接近度、定位或電流。

在快速磁重聯期間，等離子體中的帶電粒子--即離子和電子--停止作為一個群體移動。當離子和電子開始單獨運動時，它們產生了霍爾效應并創造了一個不穩定的能量真空--在那里發生了重聯。來自能量真空周圍磁場的壓力則會導致真空內爆，從而以可預測的速度迅速釋放巨大的能量。

這一新理論將在未來幾年內通過MMS進行測試。據了解，MMS使用四個航天器以金字塔形式圍繞地球飛行以研究無碰撞等離子體中的磁重聯。在這個獨特的空間實驗室里，MMS能以比地球上更高的分辨率研究磁重聯。

Giles說道：“最終，如果我們能夠理解磁重聯是如何運作的，那么我們就可以更好地預測那些可能影響我們地球的事件如地磁暴和太陽耀斑。并且，如果我們能夠理解重聯是如何啟動的，它還將有助于能源研究，因為研究人員可以更好地控制聚變裝置中的磁場。”