歐洲航天局空間探測(cè)器揭示空間等離子體流異常高溫之迷

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，歐洲航天局四個(gè)空間探測(cè)器組成飛行編隊(duì)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(chǎng)中心，監(jiān)測(cè)到以超過每小時(shí)800公里速度向地球沖擊而來的等離子體噴流，該探測(cè)器飛行編隊(duì)詳細(xì)檢測(cè)了內(nèi)磁層的哨聲波，并提供了關(guān)于磁層在等離子體沖擊下的通量堆積，這種影響導(dǎo)致對(duì)電子的加熱和加速效應(yīng)，類似電子回旋加速器中的加速原理。相關(guān)的論文已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

（地球磁尾高溫高速等離子體噴流的效果圖）

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(cè)器編隊(duì)對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(xué)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(guān)于等離子體被加熱轉(zhuǎn)化出高能粒子的過程仍然是一個(gè)基礎(chǔ)性的問題，因?yàn)樵谔祗w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(guān)鍵因素在于解決磁重聯(lián)現(xiàn)象（一種磁場(chǎng)區(qū)域突然間出現(xiàn)的重新排列），這種重新排列導(dǎo)致了巨大儲(chǔ)存狀態(tài)的磁場(chǎng)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(duì)這個(gè)現(xiàn)象最佳的研究場(chǎng)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(chǎng)會(huì)形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，我們稱之為磁尾。而在磁尾的中心有一個(gè)區(qū)域被認(rèn)為是等離子體片，這個(gè)區(qū)域聚集了大量的等離子體，其等效的溫度可以達(dá)到5000萬攝氏度，可以說這個(gè)區(qū)域是宇宙中最熱的地方之一。當(dāng)磁重聯(lián)發(fā)生在磁尾的時(shí)候，等離子體就像被充滿能量似的而產(chǎn)生噴流。

觀測(cè)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(gè)探測(cè)器組成的空間飛行編隊(duì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，將使得人類得以了解高能粒子的加速機(jī)制。這四個(gè)探測(cè)器組成的空間飛行編隊(duì)形成一個(gè)四面體穿過磁尾的中心，這個(gè)距離大約在地球背向太陽一則的9.6萬公里處。探測(cè)器上搭載的各種粒子、電場(chǎng)和磁場(chǎng)分析儀迅速地監(jiān)測(cè)了在等離子片區(qū)域內(nèi)的噴流情況，瑞典空間科學(xué)研究院與英國(guó)倫敦大學(xué)下屬的著名瑪拉德空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究小組詳細(xì)分析了來自探測(cè)器的數(shù)據(jù)，得到了噴流最大速度超過每小時(shí)800公里在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)。

本次監(jiān)測(cè)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(diǎn)在于沿著磁力線運(yùn)動(dòng)的粒子如何創(chuàng)造出一個(gè)等離子體噴流。然而，研究小組還發(fā)現(xiàn)：在噴流達(dá)到極大值之前，磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象，其伴隨的電子能量可以達(dá)到千電子伏(keV)的數(shù)百倍。

（歐洲空間探測(cè)器編隊(duì)飛行）

探測(cè)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?yàn)轭愃颇Σ良訜岬臋C(jī)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(chǎng)的突然增加所產(chǎn)生的效應(yīng)，但是噴流的前段由于磁場(chǎng)的突然增強(qiáng)而出現(xiàn)速度降低，這就導(dǎo)致了噴流前段產(chǎn)生堆積效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了后續(xù)噴流中的粒子的相互摩擦作用，使得溫度進(jìn)一步上升。

正是由于地球南北磁場(chǎng)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(duì)電子的加速作用，這個(gè)現(xiàn)象類似電子加速器的加速原理。此外，探測(cè)器編隊(duì)還揭示了“哨聲波”的存在，第一次提供了對(duì)其作用過程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在通量堆積區(qū)域內(nèi)對(duì)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(cè)器編隊(duì)飛行任務(wù)項(xiàng)目的科學(xué)家Arnaud Masson介紹：在一個(gè)較為穩(wěn)定的條件下，這種哨聲波具有相當(dāng)快的分散消失特性。而正是監(jiān)測(cè)到通量堆積效應(yīng)滯后了噴流前段的速度，才使得對(duì)這項(xiàng)等離子體的研究有了突破性的進(jìn)展。結(jié)合以往的研究，進(jìn)一步證實(shí)了在位于地球尾部的磁場(chǎng)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(cè)器高靈敏度的監(jiān)測(cè)儀器也檢測(cè)到電磁波的存在，同時(shí)也是首次證實(shí)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(cè)器除了對(duì)噴流發(fā)生的機(jī)制作了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)外，研究小組的科學(xué)家們據(jù)此還提供了一種新的用于測(cè)量距離地球較遠(yuǎn)宇宙空間內(nèi)的粒子噴流的方法，同時(shí)探測(cè)器的數(shù)據(jù)也解釋了當(dāng)噴流在遠(yuǎn)離磁場(chǎng)相互作用的區(qū)域時(shí)如何變得更加的活躍。