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新模型揭示了天体物理等离子体中的湍流

发布时间:2018-05-15 浏览次数:9

磁重联是麻省理工学院核科学与工程和物理学副教授Nuno Loureiro一直在详细研究十多年的复杂现象。为了解释这个过程,他给出了一个研究得很好的例子:“如果你观看太阳耀斑的视频,当它向外拱起,然后倒塌到太阳表面上时,”这是磁重联的行动。这是发生在太阳表面,导致爆炸性释放能量的事情。“Loureiro对这种磁重联过程的理解为新分析提供了基础,现在可以解释等离子体中湍流的一些方面。图片:美国宇航局

等离子体,类似气体的离子和电子集合构成了宇宙中约99%的可见物质,包括太阳,星体和透过其间空间的气体介质。这些等离子体中的大多数,包括不断从太阳流出并穿过太阳系的太阳风,都处于湍流状态。这种动荡如何运作仍然是一个谜。它是等离子体物理学中最具活力的研究领域之一。

现在,两位研究人员提出了一个新模型来解释这些动态紊流过程。

麻省理工学院核科学与工程和物理副教授Nuno Loureiro和麦迪逊威斯康星大学物理学教授Stanislav Boldyrev今天在“天体物理学杂志” EM取代。这篇论文是今年系列文章中的第三篇,解释了这些带电粒子动荡集合如何表现的关键方面。

“空间和天体物理环境中的自然发生的等离子体被磁场穿过,并存在于湍流状态,”Loureiro说。 “就是说,它们的结构在各个尺度上都是非常混乱的:如果你越来越仔细地观察构成这些材料的缕缕,漩涡,你会看到类似的结构在每个尺寸级别的无序结构迹象。”虽然湍流是各种流体中常见且广泛研究的现象,但由于电流和磁场的附加因素,等离子体中发生的湍流更难以预测。

“磁化的等离子体湍流非常复杂且非常具有挑战性,”他说。

由麻省理工学院学生Daniel Groselj进行模拟。

磁重联是一个复杂的现象,Loureiro已经详细研究了十多年。为了解释这个过程,他给出了一个研究得很好的例子:“如果你观看太阳耀斑的视频,当它向外拱起,然后倒塌到太阳表面上时,”这是磁重联的行动。这是发生在太阳表面,导致爆炸性释放能量的事情。“Loureiro对这种磁重联过程的理解为新分析提供了基础,现在可以解释等离子体中湍流的一些方面。

Loureiro和Boldyrev发现,磁重联必须在等离子体湍流的动力学中发挥关键作用,他们认为他们认为这会从根本上改变对空间和天体物理等离子体的动力学和性质的理解,“这实际上是人们如何思考的概念上的转变动荡,“Loureiro说。

“关于等离子体湍流动力学的现有假设”可以正确预测观察到的一些方面,“他说,但他们”导致了不一致。“

Loureiro和Boldyrev一起工作,他是等离子体湍流的领先理论家,两人意识到“我们可以通过合并现有的湍流和磁重联的理论描述来解决这个问题,”Loureiro解释道。因此,“动荡的景象在概念上得到了修改,并导致与监测太阳风的卫星观测到的结果更加接近,并进行了许多数值模拟。”

Loureiro急于补充说,这些结果并不能证明该模型是正确的,但表明它与现有数据一致。 “进一步的研究肯定是需要的,”Loureiro说。 “这个理论做出了具体的,可测试的预测,但是这些很难通过当前的模拟和观察来检查。”

他补充道:“这个理论非常普遍,这增加了直接测试的可能性。”例如,有一些希望,美国宇航局新的任务--Parker太阳探测器计划于明年发射,并将观测太阳日冕(在日全食期间只能从地球看到的围绕太阳的等离子热环)可以提供所需的证据。 Loureiro说,这个探测器将比以前的太空船更接近太阳,它应该提供迄今为止在日冕中湍流的最准确数据。

收集这些信息是非常值得的,Loureiro说道:“湍流在各种天体物理现象中起着关键作用,”包括行星和恒星核心中的物质流动,通过发电机效应产生磁场,在黑洞等大型中心物体周围的吸积盘中的物质,恒星的太阳和风的加热(气体不断从星表面吹走)以及在星际介质中产生的结构,这些结构填充了恒星之间广阔的空间。 “对等离子体中湍流如何起作用的认识是解决这些长期存在的问题的关键,”他说。

科罗拉多大学物理学副教授Dmitri Uzdensky说:“这项重要的研究代表了向更深入的物理理解磁化等离子体湍流方向迈出的重要一步。”他没有参与这项工作。 “通过阐明两个无处不在的和基本的等离子体过程 - 磁流体动力学湍流和磁重联 - 之间的深层联系和相互作用 - 这一分析改变了我们关于湍流等离子体运动的能量如何从大到小级联的理论图景。”

他补充说:“这项工作是建立在今年早些时候由这些作者发表的先前研究成果基础上的,并将其扩展到更广阔的无碰撞等离子体领域。这使得由此产生的理论直接适用于更实际的自然界等离子体环境。同时,这篇论文引出了关于等离子体湍流和重新连接的新的诱人问题,从而开辟了新的研究方向,从而刺激了未来空间物理学和等离子体天体物理学的研究工作。“

该研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部通过基础等离子体科学与工程合作组织的CAREER奖项的支持。

出版物:Nuno F. Loureiro等人,“无碰撞重新连接在磁流体动力学和动力学湍流中”,ApJ,2017; DOI:10.3847 / 1538-4357 / aa9754

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler


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