新理论解释了快速磁重联背后的奥秘
当相反方向的磁场线合并时，它们会产生可以释放大量能量的爆炸。在太阳上，相反的场线合并会导致太阳耀斑和日冕物质抛射，这些巨大的能量爆发可以在一天内传播到地球。
虽然磁重联的一般机制是已知的，但研究人员已经努力了半个多世纪来解释发生的快速能量释放背后的精确物理学。
发表在通讯物理学上的一项新的达特茅斯研究提供了第一个关于“霍尔效应”现象如何决定磁重联效率的理论描述。
“磁场线重新连接的速度对于影响地球的太空过程至关重要，”达特茅斯大学物理学和天文学助理教授刘宜欣说。 “经过几十年的努力，我们现在有了一个完整的理论来解决这个长期存在的问题。”
磁重联存在于整个自然界中的等离子体中，这是充满大部分可见宇宙的物质的第四种状态。当相反方向的磁力线相互吸引、分开、重新连接，然后猛烈地折断时，就会发生重新连接。
在磁重联的情况下，磁力线的断裂迫使磁化等离子体以高速流出。能量是通过一种张力产生并转移到等离子体中，就像从弹弓中弹出物体的张力一样。
达特茅斯大学的研究重点关注重联率问题，这是磁重联的关键组成部分，描述了磁力线会聚和拉开的动作速度。
先前的研究发现，霍尔效应——电流与周围磁场之间的相互作用——为快速磁重联创造了条件。但直到现在，研究人员还无法解释霍尔效应究竟如何提高重联率的细节。
达特茅斯的理论研究表明，霍尔效应抑制了能量从磁场到等离子体粒子的转换。这限制了它们合并处的压力量，迫使磁场线弯曲和收缩，从而产生加速重新连接过程所需的开放流出几何形状。
“这个理论解决了霍尔效应为什么以及如何使重新连接如此之快的重要难题，”作为美国宇航局磁层多尺度任务 (MMS) 理论和建模团队副组长的刘说。 “通过这项研究，我们还解释了爆炸性磁能释放过程，该过程在天然等离子体中是基本且普遍存在的。”
新理论可以进一步加深对太阳耀斑和日冕物质抛射事件的技术理解，这些事件会导致地球上的太空天气和电干扰。除了使用重联率来估计太阳耀斑的时间尺度外，它还可以用来确定地磁亚暴的强度，以及太阳风与地球磁层之间的相互作用。
该研究小组由美国国家科学基金会 (NSF) 和 NASA 资助，正在与 NASA 的磁层多尺度任务合作，分析自然界中的磁重联。作为美国宇航局任务的一部分，来自四颗围绕地球磁层的紧密编队飞行的卫星的数据将用于验证达特茅斯的理论发现。
NSF 等离子体物理项目主任维亚切斯拉夫·卢金 (Vyacheslav Lukin) 说：“这项工作表明，通过建模能力强化的基本理论见解可以推动科学发现。” “这些结果的技术和社会影响很有趣，因为它们可以帮助预测太空天气对电网的影响，开发新能源，并探索新的太空推进技术。”
这项新研究还可以为磁约束聚变装置和中子星和黑洞附近的天体物理等离子体的重新连接研究提供信息。虽然目前没有应用用途，但一些研究人员已经考虑在航天器推进器中使用磁重联的可能性。
这项工作由 NSF 的 PHY 和 AGS 部门、NASA 的磁层多尺度 (MMS) 任务和美国能源部资助。
该研究的共同作者是西弗吉尼亚大学的 Paul Cassak；李晓灿，达特茅斯；美国宇航局艾姆斯研究中心的迈克尔·黑塞；林山昌，达特茅斯；和西南研究所的 Kevin Genestreti。
-
科技前沿
-
项目成果
