倫敦瑪麗女王大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)研究，該研究首次直接測量了能量如何從太空中的混沌電磁場轉(zhuǎn)移到構(gòu)成太陽風(fēng)的粒子，從而導(dǎo)致星際空間的升溫。這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上，由亞利桑那大學(xué)(University of Arizona)和愛荷華大學(xué)(University of Iowa)聯(lián)合開展。

研究表明，一種被稱為朗道阻尼(Landau阻尼)的過程，負(fù)責(zé)將空間中電磁等離子體湍流中的能量轉(zhuǎn)移到太陽風(fēng)中的電子上，導(dǎo)致它們被激發(fā)。這個(gè)過程是以諾貝爾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)家列弗·蘭道(Lev Landau, 1908-1968)的名字命名。當(dāng)一個(gè)波穿過等離子體時(shí)，以類似速度運(yùn)動(dòng)的等離子體粒子會(huì)吸收這種能量，導(dǎo)致波的能量(阻尼)降低。

博科園-科學(xué)科普：雖然這一過程以前曾在一些簡單的情況下測量過，但尚不清楚它是否仍將在空間中自然發(fā)生的高度湍流和復(fù)雜等離子體中運(yùn)作，或是否會(huì)有完全不同的過程。在整個(gè)宇宙中，物質(zhì)處于激發(fā)等離子體狀態(tài)，溫度遠(yuǎn)高于預(yù)期。例如，日冕的溫度是太陽表面溫度的數(shù)百倍，科學(xué)家們?nèi)栽谠噲D解開這個(gè)謎團(tuán)。理解許多其他天體物理等離子體的加熱也至關(guān)重要，比如星際介質(zhì)和黑洞周圍等離子體的圓盤，以便解釋這些環(huán)境中顯示的一些極端行為。能夠直接測量太陽風(fēng)中等離子體激發(fā)機(jī)制的作用(就像本文中首次展示的那樣)，將有助于科學(xué)家理解關(guān)于宇宙的許多懸而未決的問題。

研究人員利用美國宇航局(NASA)磁層多尺度(MMS)航天器(最近于2015年發(fā)射)的高分辨率測量數(shù)據(jù)，以及新開發(fā)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)(場粒子相關(guān)技術(shù))發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。太陽風(fēng)是帶電粒子流。(等離子體)來自太陽，充滿了我們整個(gè)太陽系，而MMS宇宙飛船位于太陽風(fēng)中，當(dāng)它流過時(shí)，測量其中的場和粒子。該研究的主要作者、倫敦瑪麗女王大學(xué)的Christopher Chen博士說：等離子體是目前為止宇宙中可見物質(zhì)最豐富的形式，通常處于一種被稱為湍流高度動(dòng)態(tài)和明顯混亂的狀態(tài)。這種湍流將能量傳遞給等離子體中的粒子，導(dǎo)致加熱和通電，使得湍流和相關(guān)的加熱現(xiàn)象在自然界中非常普遍。

在這項(xiàng)研究中，首次直接測量了自然產(chǎn)生的天體物理等離子體中湍流加熱的過程。還驗(yàn)證了這種新的分析技術(shù)，它是一種可以用來探測等離子體激發(fā)的工具，可以用于等離子體行為不同方面的一系列后續(xù)研究。愛荷華大學(xué)格雷格·豪斯教授參與設(shè)計(jì)了這項(xiàng)新的分析技術(shù)：在朗道阻尼的過程中，通過等離子體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電場可以使電子以適當(dāng)?shù)乃俣入S波運(yùn)動(dòng)，就像沖浪運(yùn)動(dòng)員捕捉波一樣。這是場-粒子關(guān)聯(lián)技術(shù)的首次成功觀測應(yīng)用，它有望回答有關(guān)空間等離子體行為和進(jìn)化的長期、基本問題，比如日冕加熱。這篇論文也為這項(xiàng)技術(shù)在未來的太陽系其他區(qū)域任務(wù)中使用鋪平了道路，比如NASA帕克太陽探測器(2018年發(fā)射)，它將首次開始探索太陽附近的日冕和等離子環(huán)境。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:??倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-019-08435-3

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