歐洲探測器揭示空間等離子體流異常高溫之迷 _地球

地球磁尾高溫高速等離子體噴流的效果圖

歐洲空間探測器編隊飛行
歐洲航天局四個空間探測器組成飛行編隊通過大約距離地球9萬6千公里（地球到月球距離的四分之一）的磁場中心，監(jiān)測到以超過每小時800公里速度向地球沖擊而來的等離子體噴流，該探測器飛行編隊詳細檢測了內(nèi)磁層的哨聲波，并提供了關于磁層在等離子體沖擊下的通量堆積，這種影響導致對電子的加熱和加速效應，類似電子回旋加速器中的加速原理。相關的論文已發(fā)表在《物理評論快報》上。
【歐洲探測器揭示空間等離子體流異常高溫之迷】高速等離子噴流是宇宙中極為常見的一種現(xiàn)象，其可以產(chǎn)生于太陽耀斑、地球磁層以及中心具有黑洞提供能量的各種天體中。然而，在歐洲空間局的探測器編隊對其進行了現(xiàn)場監(jiān)測之后，這種電離態(tài)的粒子流的作用過程需要重新被天文學家所審視。宇宙中大多數(shù)可見的物質(zhì)都存在等離子體，其來源于極為炙熱的氣體中原子的外層電子被剝離，成為帶電粒子（離子）以及出現(xiàn)磁化現(xiàn)象。而現(xiàn)在，關于等離子體被加熱轉(zhuǎn)化出高能粒子的過程仍然是一個基礎性的問題，因為在天體物理中，等離子體之間出現(xiàn)碰撞還是較為罕見的情況。
要研究磁化等離子體間能量轉(zhuǎn)化的關鍵因素在于解決磁重聯(lián)現(xiàn)象（一種磁場區(qū)域突然間出現(xiàn)的重新排列），這種重新排列導致了巨大儲存狀態(tài)的磁場能的釋放。大多數(shù)情況下，釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為周圍的等離子體，這也是等離子體粒子加速和加熱的原因。對這個現(xiàn)象最佳的研究場所就是在太空中，在地球背向太陽的一側(cè) 。那兒的地球磁場會形成一條長長的尾巴，我們稱之為磁尾。而在磁尾的中心有一個區(qū)域被認為是等離子體片，這個區(qū)域聚集了大量的等離子體，其等效的溫度可以達到5000萬攝氏度，可以說這個區(qū)域是宇宙中最熱的地方之一。當磁重聯(lián)發(fā)生在磁尾的時候，等離子體就像被充滿能量似的而產(chǎn)生噴流。
觀測這片位于磁尾等離子片的高能噴流有助于研究等離子體加速和加熱的過程。特別是歐洲空間局由4個探測器組成的空間飛行編隊進行現(xiàn)場監(jiān)測，將使得人類得以了解高能粒子的加速機制。這四個探測器組成的空間飛行編隊形成一個四面體穿過磁尾的中心，這個距離大約在地球背向太陽一則的9.6萬公里處。探測器上搭載的各種粒子、電場和磁場分析儀迅速地監(jiān)測了在等離子片區(qū)域內(nèi)的噴流情況，瑞典空間科學研究院與英國倫敦大學下屬的著名瑪拉德空間科學實驗室的研究小組詳細分析了來自探測器的數(shù)據(jù) ，得到了噴流最大速度超過每小時800公里在內(nèi)的各項參數(shù) 。
本次監(jiān)測的等離子噴流產(chǎn)生于磁重聯(lián)的過程中（地球磁尾等離子片區(qū)域南北兩側(cè)的磁力線突然出現(xiàn)聯(lián)合的過程），研究的重點在于沿著磁力線運動的粒子如何創(chuàng)造出一個等離子體噴流。然而，研究小組還發(fā)現(xiàn)：在噴流達到極大值之前，磁場強度出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象，其伴隨的電子能量可以達到千電子伏(keV)的數(shù)百倍。
探測器傳回的其他數(shù)據(jù)也表明：這種等離子體噴流在形成之初的溫度還是比較低的，其之所能出現(xiàn)溫度的急劇升高是因為類似摩擦加熱的機制在起作用。這種作用的主體是噴流內(nèi)的粒子出現(xiàn)相互摩擦，并加上磁場的突然增加所產(chǎn)生的效應，但是噴流的前段由于磁場的突然增強而出現(xiàn)速度降低，這就導致了噴流前段產(chǎn)生堆積效應，進一步增強了后續(xù)噴流中的粒子的相互摩擦作用，使得溫度進一步上升。
正是由于地球南北磁場出現(xiàn)的突然聯(lián)接，在噴流前段產(chǎn)生的通量堆積區(qū)域，加熱了等離子體以及對電子的加速作用，這個現(xiàn)象類似電子加速器的加速原理。此外，探測器編隊還揭示了“哨聲波”的存在，第一次提供了對其作用過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在通量堆積區(qū)域內(nèi)對粒子加速過程中同樣扮演了重要角色。據(jù)歐洲空間局探測器編隊飛行任務項目的科學家Arnaud Masson介紹：在一個較為穩(wěn)定的條件下，這種哨聲波具有相當快的分散消失特性。而正是監(jiān)測到通量堆積效應滯后了噴流前段的速度，才使得對這項等離子體的研究有了突破性的進展。結(jié)合以往的研究，進一步證實了在位于地球尾部的磁場重新連接之后產(chǎn)生的回旋加速，創(chuàng)造了高能粒子噴流。
另外，探測器高靈敏度的監(jiān)測儀器也檢測到電磁波的存在，同時也是首次證實了其在噴流中電子回旋加速過程中所扮演的決定性作用，通過散射粒子的過程有效地影響并提高了粒子間的碰撞，否則在正常情況下，這種粒子間的碰撞將是非常罕見的。探測器除了對噴流發(fā)生的機制作了詳細的監(jiān)測外，研究小組的科學家們據(jù)此還提供了一種新的用于測量距離地球較遠宇宙空間內(nèi)的粒子噴流的方法，同時探測器的數(shù)據(jù)也解釋了當噴流在遠離磁場相互作用的區(qū)域時如何變得更加的活躍。

騰訊科技訊（Everett/編譯）