新理論解釋了快速磁重聯背后的奧秘

　　當相反方向的磁場線合并時，它們會產生可以釋放大量能量的爆炸。在太陽上，相反的場線合并會導致太陽耀斑和日冕物質拋射，這些巨大的能量爆發可以在一天內傳播到地球。

　　雖然磁重聯的一般機制是已知的，但研究人員已經努力了半個多世紀來解釋發生的快速能量釋放背后的精確物理學。

　　發表在通訊物理學上的一項新的達特茅斯研究提供了第一個關于“霍爾效應”現象如何決定磁重聯效率的理論描述。

　　“磁場線重新連接的速度對于影響地球的太空過程至關重要，”達特茅斯大學物理學和天文學助理教授劉宜欣說。 “經過幾十年的努力，我們現在有了一個完整的理論來解決這個長期存在的問題。”

　　磁重聯存在于整個自然界中的等離子體中，這是充滿大部分可見宇宙的物質的第四種狀態。當相反方向的磁力線相互吸引、分開、重新連接，然后猛烈地折斷時，就會發生重新連接。

　　在磁重聯的情況下，磁力線的斷裂迫使磁化等離子體以高速流出。能量是通過一種張力產生并轉移到等離子體中，就像從彈弓中彈出物體的張力一樣。

　　達特茅斯大學的研究重點關注重聯率問題，這是磁重聯的關鍵組成部分，描述了磁力線會聚和拉開的動作速度。

　　先前的研究發現，霍爾效應——電流與周圍磁場之間的相互作用——為快速磁重聯創造了條件。但直到現在，研究人員還無法解釋霍爾效應究竟如何提高重聯率的細節。

　　達特茅斯的理論研究表明，霍爾效應抑制了能量從磁場到等離子體粒子的轉換。這限制了它們合并處的壓力量，迫使磁場線彎曲和收縮，從而產生加速重新連接過程所需的開放流出幾何形狀。

　　“這個理論解決了霍爾效應為什么以及如何使重新連接如此之快的重要難題，”作為美國宇航局磁層多尺度任務 (MMS) 理論和建模團隊副組長的劉說。 “通過這項研究，我們還解釋了爆炸性磁能釋放過程，該過程在天然等離子體中是基本且普遍存在的。”

　　新理論可以進一步加深對太陽耀斑和日冕物質拋射事件的技術理解，這些事件會導致地球上的太空天氣和電干擾。除了使用重聯率來估計太陽耀斑的時間尺度外，它還可以用來確定地磁亞暴的強度，以及太陽風與地球磁層之間的相互作用。

　　該研究小組由美國國家科學基金會 (NSF) 和 NASA 資助，正在與 NASA 的磁層多尺度任務合作，分析自然界中的磁重聯。作為美國宇航局任務的一部分，來自四顆圍繞地球磁層的緊密編隊飛行的衛星的數據將用于驗證達特茅斯的理論發現。

　　NSF 等離子體物理項目主任維亞切斯拉夫·盧金 (Vyacheslav Lukin) 說：“這項工作表明，通過建模能力強化的基本理論見解可以推動科學發現。” “這些結果的技術和社會影響很有趣，因為它們可以幫助預測太空天氣對電網的影響，開發新能源，并探索新的太空推進技術。”

　　這項新研究還可以為磁約束聚變裝置和中子星和黑洞附近的天體物理等離子體的重新連接研究提供信息。雖然目前沒有應用用途，但一些研究人員已經考慮在航天器推進器中使用磁重聯的可能性。

　　這項工作由 NSF 的 PHY 和 AGS 部門、NASA 的磁層多尺度 (MMS) 任務和美國能源部資助。

　　該研究的共同作者是西弗吉尼亞大學的 Paul Cassak；李曉燦，達特茅斯；美國宇航局艾姆斯研究中心的邁克爾·黑塞；林山昌，達特茅斯；和西南研究所的 Kevin Genestreti。