美国宇航局称：磁层多尺度任务破解了60年的快速磁爆炸之谜

　　在短短几分钟内，太阳上的耀斑可以释放足够的能量供整个世界使用20，000年。这些太阳耀斑是由称为磁场重联的爆炸过程触发的快速磁爆炸，科学家们花了60年试图弄清楚它是如何工作的。

　　这也不仅仅是一个科学上的好奇：对磁场重联的更完整理解可以让人们深入了解核聚变，并对来自太阳的粒子风暴提供更好的预测，这些粒子风暴会影响地球轨道技术。

　　现在，美国宇航局磁层多尺度任务(MMS)的科学家们认为他们已经找到了答案。研究人员开发了一种理论，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，以及为什么它以一致的速度发生。新理论利用了家用设备中常见的磁效应，例如为车辆防抱死制动系统计时并知道手机翻盖何时关闭的传感器。

　　“我们终于明白是什么让这种类型的磁场重联如此之快，”新研究的主要作者刘伊心说，他是新罕布什尔州达特茅斯学院的物理学教授，也是MMS理论和建模团队的副领导人。"我们现在有了一个理论来完全解释它。”

　　磁重联是发生在等离子体中的过程，有时被称为物质的第四态。当一种气体被激发到足以分裂其原子，留下一堆带负电的电子和带正电的离子并排存在时，等离子体就形成了。这种高能的流体状物质对磁场非常敏感。

　　从太阳耀斑到近地空间，再到黑洞，整个宇宙中的等离子体都经历了磁场重联，这将磁能迅速转化为热量和加速度。虽然磁场重联有几种类型，但一种特别令人困惑的变体被称为快速重联，它以可预测的速率发生。

　　“我们已经知道，快速重联以一定的速率发生，这似乎是非常恒定的，”马里兰州格林贝尔特美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究科学家，MMS的项目科学家芭芭拉·贾尔斯说。“但到目前为止，究竟是什么推动了这一速度一直是个谜。”

　　这项发表在《自然通讯物理杂志》上的一篇论文中的新研究，解释了在无碰撞等离子体中重新连接发生的速度有多快。无碰撞等离子体是一种粒子足够分散的等离子体，单个粒子不会相互碰撞。在太空中发生重联的地方，大多数等离子体都处于这种无碰撞状态，包括太阳耀斑和地球周围空间的等离子体。

　　新理论展示了霍尔效应如何以及为什么会加速快速重联，霍尔效应描述了磁场和电流之间的相互作用。霍尔效应是一种常见的磁现象，在日常技术中使用，如车轮速度传感器和3D打印机，其中传感器测量速度、接近度、位置或电流。

　　在快速磁重联过程中，等离子体中的带电粒子——即离子和电子——停止整体移动。当离子和电子开始分开移动时，它们会产生霍尔效应，产生不稳定的能量真空，从而发生重连。来自能量真空周围磁场的压力导致真空内爆，以可预测的速度迅速释放出巨大的能量。

　　新理论将在未来几年用MMS进行测试，MMS使用四个以金字塔形式绕地球飞行的航天器来研究无碰撞等离子体中的磁场重联。在这个独特的空间实验室中，MMS可以以比地球上更高的分辨率研究磁重联。

　　“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可能影响我们地球的事件，如地磁风暴和太阳耀斑，”贾尔斯说。“如果我们能够理解重连是如何启动的，这也将有助于能源研究，因为研究人员可以更好地控制聚变设备中的磁场。”