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【前沿报道】Science:MMS星座完美捕捉到电子在磁重联扩散区中的动力学行为
2019-01-31 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  广袤的宇宙空间并非想象中那么空旷,除了尚待证实的暗物质与暗能量外,等离子体占据了宇宙有形物质的99%。当磁场极性相反的等离子体相互靠近时,磁力线会突然断开并重新联结,这就是等离子体中的一种基本物理过程——磁重联(图1)。磁重联使磁自由能快速转化为等离子体的动能和热能,最早用于解释太阳耀斑爆发中的电子加速Giovanelli, 1946),因为它也是高能带电粒子进入地球磁层的一种重要触发机制,所以备受研究者关注。 

1 NASA太阳动力学天文台(SDO)在2011817日观测到一起在太阳表面的典型磁重联事件(Su et al., 2013),在此过程中,磁场的拓扑发生了显著的变化。AIA成像仪在131埃波段观测到被加热到10MK的等离子体结构。分开的红色箭头表示正处在磁重联出流区的热化磁环  

  磁重联概念被提出后,科学家们通过理论模型、数值模拟、卫星观测、实验室等离子体装置等方式对其进行了大量系统的研究。随着计算机性能和卫星数据分辨率的提升,人们对磁重联的认识也越来越深入:当研究尺度大于离子尺度时,离子、电子都“冻结”在磁力线上;介于离子与电子尺度之间时,离子与磁力线解耦;在电子尺度时,电子与磁力线解耦(图2)。很容易推理,磁力线最终是在电子尺度完成“断开”和“重联”的。因此,研究扩散区中电子尺度的动力学过程,成为近年来磁重联研究的重要方向。

2 磁重联扩散区示意图(Wang et al., 2010)。浅蓝色部分为离子扩散区,红色部分为电子扩散区    

  2015年,NASA发射了由四颗卫星构成的星座MMS,用于收集有关磁重联现象的粒子信息,MMS超高的时空分辨率为重联扩散区电子尺度动力学的研究提供了契机。在任务的第一阶段(2015-2016年),MMS反复穿越日侧磁层顶,对非对称磁重联进行研究。在第二阶段(2017年),卫星轨道穿越了对称度极高的磁尾,这种最简单的对称位形,可以排除其他复杂因素的干扰,有利于纯粹从基本物理角度出发来探索磁重联的核心问题。

  近日,美国新罕布什尔大学等机构的研究人员在Science上发表的最新研究成果显示,2017711日,MMS在磁重联扩散区中首次完整地捕捉到了电子的动力学过程,完美地重现了电子在微小尺度时的行为。据估算,扩散区的横纵比为0.1-0.2,是一起典型的快速磁重联事件。在扩散区里,还观测到了速度高达15000 km/s的超阿尔文速电子喷流。 

  以往的观测和理论研究发现,电子速度空间的新月形分布是电子扩散区的典型特征。在这起事件中,电子速度呈现多新月形分布,通过数值模拟可以对这种分布进行验证(图3)。这种平整的多层成分电子分布的存在,表明在重联点附近,电子的动力学行为更接近层流状态而不是湍流,这不同于我所之前发表在Nature Physics上与湍流相关的磁通量绳合并的观测结果(Wang et al., 2016)。这些结果使人们对磁重联扩散区中的电子动力学有了一个全新的认识。

3 K-NMMS星座在磁重联电子扩散区里观测到的电子速度分布存在多新月形分布;P-S:数值模拟在此区域内重现的电子速度分布(Torbet et al., 2018    

  主要参考文献    

  Giovanelli R G. A theory of chromospheric flares[J]. Nature, 1946, 158: 81-82.原文链接 

  Su Y, Veronig A M, Holman G D, et al. Imaging coronal magnetic-field reconnection in a solar flare[J]. Nature Physics, 2013, 9(8): 489-493.原文链接 

  Torbet R B, Burch J L, Phan T D, et al. Electron-scale dynamics of the diffusion region during symmetric magnetic reconnection in space [J]. Science, 2018, 362: 1391-1395.原文链接 

  Wang R S, Lu Q M, Du A M, et al. In situ observations of a secondary magnetic island in an ion diffusion region and associated energetic electrons [J]. Physical Review Letters, 2010, 104(17): 175003.原文链接 

  Wang R S, Lu Q M, Nakamura R, et al. Coalescence of magnetic flux ropes in the ion diffusion region of magnetic reconnection [J]. Nature Physics, 2016, 12: 263-267.原文链接     

(撰稿:黄灿/地星室)

 
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