介绍
在短暂的发作期间,太阳偶尔会向太空释放大量能量。 这些被称为太阳耀斑的爆发仅持续几分钟,它们可以在地球上引发灾难性的停电和耀眼的极光。 但是我们关于这些耀斑如何工作的主要数学理论无法预测我们观察到的强度和速度。
这些爆发的核心是一种将磁能转化为强大的光和粒子爆炸的机制。 这种转变是由一种叫做磁重联的过程催化的,在这个过程中,碰撞的磁场会破裂并立即重新排列,将物质弹射到宇宙中。 除了为太阳耀斑提供动力外,重新连接还可以为快速、 高能粒子 被爆炸的恒星喷射出来, 来自盛宴黑洞的喷流,并 常风 被太阳吹了。
尽管这种现象无处不在,但科学家们一直在努力理解它是如何有效地发挥作用的。 A 最近的理论 提出在解决磁重联之谜时,微小物理学起着重要作用。 特别是,它解释了为什么一些重新连接事件的速度如此之快——以及为什么最强的事件似乎以特有的速度发生。 了解重新连接的微观物理细节可以帮助研究人员为这些能量爆发建立更好的模型,并理解宇宙的暴怒。
“到目前为止,这是我能看到的最好的理论,”说 韩涛记,普林斯顿大学的等离子体物理学家,没有参与这项研究。 “这是一项巨大的成就。”
摸索流体
宇宙中几乎所有已知物质都以以下形式存在 血浆,一种炽热的气体汤,地狱般的温度将原子剥离成带电粒子。 当它们四处移动时,这些粒子会产生磁场,然后引导粒子的运动。 这种混乱的相互作用编织出一团乱七八糟的磁场线,就像橡皮筋一样,在拉伸和扭曲时储存越来越多的能量。
在 1950 年代,科学家提出了等离子体如何释放其被压抑的能量的解释,这一过程后来被称为磁重联。 当指向相反方向的磁场线发生碰撞时,它们会断裂并交叉连接,像双面弹弓一样发射粒子。
但这个想法更接近于一幅抽象画,而不是一个完整的数学模型。 科学家们想了解这个过程如何运作的细节——影响折断的事件,释放如此多能量的原因。 但热气体、带电粒子和磁场之间混乱的相互作用很难从数学上解决。
第一定量 理论,由天体物理学家 Peter Sweet 和 Eugene Parker 在 1957 年描述,将等离子体视为磁化流体。 这表明带相反电荷的粒子的碰撞会吸引磁场线并引发失控的重联事件链。 他们的理论还预测这个过程会以特定的速率发生。 在相对较弱的实验室锻造等离子体中观察到的重联率与他们的预测相符,太阳大气下层较小喷流的重联率也是如此。
但是太阳耀斑释放能量的速度比 Sweet 和 Parker 的理论所能解释的要快得多。 根据他们的计算,这些耀斑应该在几个月而不是几分钟内展开。
最近,来自 NASA 的观测 磁层卫星 发现这种更快的重新连接发生在离家更近的地方,在地球自身的磁场中。 这些观察以及数十年计算机模拟的证据证实了这种“快速”重联率:在能量更高的等离子体中,重联发生的速度约为磁场传播速度的 10%——比 Sweet 和 Parker 的理论预测快几个数量级.
10% 的重新连接率被普遍观察到,以至于许多科学家认为这是“上帝给定的数字”,说 阿丽莎·加利什尼科娃,普林斯顿大学研究员。 但求助于神并不能解释是什么让重新连接如此之快。
神号
在 1990 世纪 XNUMX 年代,物理学家不再将等离子体视为流体,事实证明这种做法过于简单化。 放大来看,磁化汤实际上是由单个颗粒组成的。 而这些粒子如何相互作用产生了至关重要的差异。
“当你到达微尺度时,流体描述开始分解,”说 阿米塔瓦·巴塔查吉,普林斯顿大学的等离子体物理学家。 “[微观物理]图片中包含流体图片永远无法捕捉到的东西。”
在过去的二十年里,物理学家一直怀疑称为霍尔效应的电磁现象可能是快速重新连接的秘密:带负电的电子和带正电的离子具有不同的质量,因此它们以不同的速度沿着磁场线移动。 该速度差在分离的电荷之间产生电压。
2001 年,Bhattacharjee 和他的同事们 显示 只有包含霍尔效应的模型才能产生适当的快速重连率。 但究竟该电压如何产生神奇的 10% 仍然是个谜。 “它没有向我们展示‘如何’和‘为什么’,”说 刘以新,达特茅斯学院的等离子体物理学家。
介绍
现在,在最近发表的两篇理论论文中,刘和他的同事们试图填补细节。
第一篇论文, 出版于 通讯物理,描述了电压如何感应出一个磁场,该磁场将电子从两个碰撞磁区的中心拉开。 这种转移会产生真空,吸入新的磁力线并将它们挤压在中心,从而使磁性弹弓更快地形成。
“那张照片被遗漏了……[但]它正盯着我们的脸,”说 吉姆·德雷克,马里兰大学的等离子体物理学家。 “这是我见过的第一个令人信服的论据。”
在 第二篇论文, 出版于 “物理评论快报”, Liu 和他的本科生研究助理 Matthew Goodbred 描述了相同的真空效应如何出现在含有不同成分的极端等离子体中。 例如,在黑洞周围,等离子体被认为由电子和同等质量的正电子组成,因此霍尔效应不再适用。 然而,“神奇的是,重新连接仍在以类似的方式进行,”刘说。 研究人员提出,在这些更强的磁场中,大部分能量都用于加速粒子而不是加热它们——再次造成压力耗尽,从而产生惊人的 10% 速率。
“这在理论上是一个重要的里程碑,”他说 洛伦佐西罗尼,哥伦比亚大学的理论天体物理学家,从事高能等离子体射流的计算机模拟。 “这给了我们信心……我们在模拟中看到的并不疯狂。”
拾取粒子
科学家无法在大规模等离子体模拟中对每个单独的粒子进行建模。 这样做会产生数十亿兆字节的数据,需要数百年才能完成,即使使用最先进的超级计算机也是如此。 但研究人员最近想出了如何将这样一个笨重的系统作为一个更小、更易于管理的粒子集来处理。
为了研究考虑单个粒子的重要性,Galishnikova 及其同事比较了两种吸积黑洞模拟——一种将等离子体视为均匀流体,另一种将大约 XNUMX 亿个粒子扔进混合物中。 他们的结果, 发表于 XNUMX 月 “物理评论快报”, 表明结合微物理学会导致黑洞耀斑、粒子加速和亮度变化的截然不同的图片。
现在,科学家们希望像 Liu 这样的理论进步能够导致磁重联模型更准确地反映自然。 但是,虽然他的理论旨在解决重新连接率问题,但它并没有解释为什么一些场线碰撞并触发重新连接而不是其他场线。 它也没有描述流出的能量是如何分配到喷流、热量和宇宙射线中的——或者这些能量是如何在三维和更大尺度上起作用的。 尽管如此,刘的工作表明,在适当的情况下,磁重联如何能够足够有效地驱动短暂但剧烈的天体爆发。
“你必须回答‘为什么’这个问题——这是推动科学发展的关键部分,”德雷克说。 “相信我们了解该机制使我们能够更好地尝试弄清楚正在发生的事情。”
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- Sumber: https://www.quantamagazine.org/the-tiny-physics-behind-immense-cosmic-eruptions-20230515/
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