英国达特茅斯大学研究人员提出新理论 解释太阳表面快速磁重联背后的奥秘
英国达特茅斯大学研究人员提出新理论 解释太阳表面快速磁重联背后的奥秘
（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：当相反方向的磁场线合并时，它们产生爆炸，可以释放出巨大的能量。太阳上相反方向的磁场线的合并产生了太阳耀斑和日冕物质抛射，这是巨大的能量爆炸，可以在不到一天的时间内传到地球。
虽然磁重联的一般力学原理已被充分理解，但研究人员半个多世纪以来一直在努力解释所发生的快速能量释放背后的精确物理学。昨天（2022年4月28日）发表在《通信物理学》杂志上的一项达特茅斯大学研究，首次从理论上描述了一种被称为"霍尔效应"的现象如何决定磁重联效率。
磁重联存在于整个自然界的等离子体中，这是物质的第四种状态，充满了大部分的可见宇宙。当方向相反的磁场线被吸引到对方身上时，重新连接就发生了，它们分开，重新结合，然后猛烈地扣开。在磁重联的情况下，磁力线的断裂迫使磁化的等离子体以高速度流出。能量是通过一种类似于将物体从弹弓中弹出的拉力而产生并转移到等离子体上的。
达特茅斯大学的研究侧重于重联速率问题，这是磁重联的关键组成部分，描述了磁力线汇聚和拉开的行动速度。以前的研究发现，霍尔效应，电流和围绕它们的磁场之间的相互作用为快速磁重联创造了条件。但是直到现在研究人员还无法解释霍尔效应究竟是如何增强重联速度的细节。
达特茅斯大学的理论研究表明，霍尔效应抑制了从磁场到等离子体粒子的能量转换。这限制了它们合并点的压力量，迫使磁场线弯曲并夹住，导致加快重联过程所需的开放的外流几何结构。这一理论解决了霍尔效应为什么以及如何使重联如此快速的重要难题，通过这项研究，研究人员还解释了爆炸性的磁能释放过程，这在自然等离子体中是基本的和普遍存在的。
新的理论可以进一步促进对太阳耀斑和日冕物质抛射事件的技术理解，这些事件导致了空间天气和地球上的电力干扰。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，以及太阳风和地球磁层之间的相互作用。
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（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：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性的磁重联类型--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。
从太阳上的耀斑到近地空间再到黑洞，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、接近度、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。”
