短短几分鐘內,太陽上的一次耀斑可以釋放出足夠供整個世界運轉20,000年的能量。一種稱爲磁重聯的爆炸過程觸發了這些太陽耀斑,科學家們在過去的半個世紀裏一直試圖瞭解這個過程是如何發生的。

太陽耀斑

太陽耀斑

這不僅僅是一種科學上的好奇心:對磁場重聯的更全面理解可以讓人們深入瞭解核聚變,並更好地預測來自太陽的粒子風暴,這些風暴可能會影響地球軌道技術。

太阳耀斑影响通信

太阳耀斑影响通信

現在,美國國家航空暨太空總署磁層多尺度任務( Magnetospheric Multiscale, MMS  )的科學家認爲他們已經想通了。科學家們已經開發出一種理論,解釋了最具爆炸性的磁性重聯類型(稱爲快速重聯)是如何發生的,以及爲什麼它以恆定的速度發生。新理論使用了家用設備中使用的常見磁效應,例如用於計時車輛防抱死制動系統或知道手機翻轉蓋何時關閉的傳感器。

「我們終於明白是什麼讓這種類型的磁重聯如此之快,」新研究的主要作者劉毅新說,他是新罕布什爾州達特茅斯學院的物理學教授,也是 MMS 理論和建模團隊的副主任。「我們現在有一個理論來充分解釋它。」

磁重聯是等離子體(有時稱爲物質的第四狀態)中發生的一個過程。當氣體被激發到足以分解其原子時,就會形成等離子體,留下帶負電的電子和帶正電的離子雜亂無章地並排存在着。這種高能的流體狀材料對磁場非常敏感。

等離子體

等離子體

從太陽耀斑到近地空間,再到黑洞,整個宇宙中的等離子體都會經歷磁重聯,從而迅速將磁能轉化爲熱能和加速度。雖然磁重聯有好幾種類型,但有一種特別令人費解的變體被稱爲快速重聯,它以可預測的速度發生。

這項新研究發表在《自然通訊物理學雜誌》上的一篇論文中,解釋了重聯在無碰撞等離子體中發生的速度爲何怎麼這麼快:一種等離子體,其粒子擴散得足夠大,單個粒子不會相互碰撞。在太空中發生重新連接的地方,大多數等離子體都處於這種無碰撞狀態,包括太陽耀斑中的等離子體和地球周圍的空間。

新理論顯示了霍爾效應如何以及爲什麼會加速快速重聯,霍爾效應描述了磁場和電流之間的相互作用。霍爾效應是一種常見的磁性現象,用於日常技術,如車輪速度傳感器和 3D 打印機等。

霍爾效應工作原理

霍爾效應工作原理

在快速磁重聯過程中,等離子體中的帶電粒子(即離子和電子)作爲一個整體停止移動。當離子和電子開始分開移動時,它們會產生霍爾效應,從而產生不穩定的能量真空,在那裏發生重新連接。來自能量真空周圍磁場的壓力導致真空內爆,從而以可預測的速度迅速釋放大量能量。

中國紫金山天文臺觀測到的耀斑磁重聯重要證據

中國紫金山天文臺觀測到的耀斑磁重聯重要證據

新理論將在未來幾年與 MMS ( Magnetospheric Multiscale  )一起進行測試,MMS 使用四艘航天器以棱錐體形式繞地球飛行,研究無碰撞等離子體中的磁重聯。與地球上相比,MMS 在這個獨特的太空實驗室中可以以更高的分辨率研究磁重聯。


參考文獻:

[1]MMS – Magnetospheric Multiscale | NASA

[2]First-principles theory of the rate of magnetic reconnection in magnetospheric and solar plasmas | Communications Physics (nature.com)

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1 Comment

  1. 太陽這能量浪費了確實可惜。沒想到磁能轉化還有待開發誒!太空實驗室應該會多出來許多,技術在進步。

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