新發現：科學家首次在磁鞘中觀察到「磁重聯」現象

　　2018年05月15日 08:01 新浪科技


　　

　　圖為地球周圍的磁場示意圖。地球磁場可捕獲電子和帶電粒子。

　　新浪科技訊 北京時間5月15日消息，據國外媒體報道，在近日的一項重大研究中，四枚NASA探測器觀測到了所謂的「磁重聯」現象。這正是地球抵禦太陽風的第一道防線。而該防線的形成過程還是首次為人所知。

　　該現象產生於地球外層大氣中一處較為動蕩不安的區域，名為磁鞘（magnetosheath）。這一發現或將改變我們對地球防護層的了解。

　　帝國理工學院物理系教授喬納森·伊斯特伍德博士（Dr Jonathan Eastwood）參與了本次研究，他指出：「湍流（turbulence）是經典物理中最缺乏了解的重要概念之一。但我們知道它在太空中十分重要，因為它可以實現能量的重新分配。」

　　「此次觀察到這一現象，我們便可提出新的理論或模型，幫助我們理解在其它地方的觀測結果，如太陽大氣和其它星球磁場等。」

　　此前科學家曾多次在磁氣圈中觀察到磁重聯現象，但通常都是在平穩的環境中。而此次磁重聯則發生在磁氣圈外側的磁鞘中，此處的太陽風極為動蕩兇猛。

　　該任務名為「磁氣圈多尺度探測任務」（簡稱MMS），專為研究磁重聯現象而設。磁重聯在宇宙中頗為常見。當磁場相連和分離時，便會產生磁重聯現象。而此次任務發現了一種新類型的磁重聯現象，名為電磁重聯。與發生在離地表更近、更平靜的磁氣圈中的磁重聯相比，電磁重聯有諸多不同之處。

　　此前科學家曾一度懷疑磁鞘中不可能發生磁重聯，因為該區域中的等離子體極為混亂。但MMS任務發現，磁鞘中也可以產生磁重聯現象，只不過規模比此前發現的磁重聯小得多。

　　這一新發現將幫助我們了解此類現象對太空中的宇航員、衛星、以及電力部門的影響。

　　「磁鞘中的湍流含有大量磁能。」該研究的主要作者、加州大學伯克利分校科學實驗室高級研究員泰·潘（Tai Phan）指出，「人們一直在探討這些能量是如何被耗散的，而磁重聯也許能解答這一問題。」

　　這些能量來自日冕。粒子以每小時160萬公里的時速從日冕射向四面八方，形成強大的太陽風。太陽風擊中磁鞘時，便會與混亂的等離子體波發生相互作用。

　　科學家尚不了解這些能量是如何被耗散的，但此次觀察到的電磁重聯現象或將對他們有所啟發。

　　

　　外層磁氣圈（圖中藍色部分）保護著地球，使來自太陽的超音速帶電粒子流（即太陽風）發生偏轉。粒子繞過磁氣圈時，便產生了高度動蕩的邊界層——磁鞘（圖中黃色部分）。科學家正在對該區域展開研究，希望更好地了解不斷變化的太空環境。

　　MMS任務部署了四枚探測器，彼此相距6.4公里，在飛行過程中不斷收集數據。這首次為研究人員提供了研究磁鞘中磁重聯現象的機會。而結果也正如他們所願，探測器成功找到了磁重聯可在湍流中發生的證據。

　　但在此過程中，他們發現磁鞘中的磁重聯與其它區域有所不同。此類磁重聯並不會發射大量由磁場碰撞激發的氫離子，而是會發射規模小得多的電子流，並且幾乎不發生磁場碰撞。此前科學家從未發現過這一現象，一部分也與缺乏合適的觀察設備有關。

　　研究人員指出，電子與離子大小極為懸殊，就像拿小彈珠與籃球作比。電子更難以追蹤，且速度高達離子的40倍。

　　「我曾模擬過這一類型的磁重聯，」一名研究人員表示，「但科學家此前從未在太空中觀察到過該現象。」

　　隨著科學家對MMS任務傳回的數據展開分析，還可能發現更多驚喜。

　　「該任務將使我們的研究達到全新的高度，」研究人員表示，「這就像當初發現原子其實由原子核和電子構成一樣，令我們始料未及。」（葉子）