最新超級計算機模擬揭示太陽日光層界面

由於星際磁場和日球磁場的耦合，外層日光層的三維特徵。美國天文學會出版的《天體物理學雜誌》「弓形波」、「日光層邊界層」、「不穩定」和「磁重連接」。但這篇論文的合著者包括位於亨茨維爾的阿拉巴馬大學的兩位研究人員，最近由於其獨特的見解，發現了在太陽風層界面出現的物理現象，這一觀點得到了新的注。Nikolai Pogorelov博士和Jacob Heerikhuisen博士都是空間科學和研究人員在UAH的空間等離子體和大氣研究中心的研究員，Heerikhuisen博士是該中心的副主任。他們之前的合作包括數十人合著論文κ-distributed太陽風中的質子和電荷交換耦合能量氫和新的星際介質的影響參數對日球層、中性原子邊界。

他們大部分工作都是用超級計算機解決複雜的物理過程數學模型，作為國家科學基金會的Petascale計算研究分配計劃的一部分。波戈爾洛夫博士是藍水科學和工程團隊諮詢委員會的成員，他和他的合作者們對這個項目提供的機會心存感激。在這項研究中，研究人員將注意力集中在太陽風，太陽風和當地星際介質之間的邊界上。更具體地說希望解釋從旅行者1號和旅行者2號上獲得的觀測數據，以及1977年發射的NASA太空探測器，以及2008年發射的美國宇航局衛星「星際邊界探測器」。

需要極大地增加網格解析度，以『放大』到太陽風層附近的區域，所以在模擬太陽風與當地星際介質的過程中使用了自適應網格細化。該研究小組還使用了三維磁流體動力學中性原子模擬，並將這些技術結合在一起，使它們能夠顯示在太陽風層的星際一側，應該觀測到等離子體密度降低和磁場增強的明顯邊界層。能夠分辨出，在太陽風層上，等離子體密度的增加與太陽層邊界層的密度增加有關。證明了在日光層邊界層的模擬密度行為與在旅行者1號上的等離子體波儀探測到的在當地星際介質中探測到的等離子體波的頻率一致。

一般來說，等離子體的頻率應該繼續增加，直到航天器離開日光層邊界層。然而像太陽周期這樣的時間依賴效應可能會導致接近恆定的等離子體頻率，進而又被越來越多密度的普遍趨勢所取代。Pogorelov博士和他的團隊認為，日光層的邊界層不是等離子體各向異性的結果，就像在地球磁層的等離子體耗盡層中所發現的那樣，相反由中性H原子和質子之間的電荷交換引起的。

從局部星際介質的角度來看，等離子體密度隨著當地的星際介質接近太陽風層而增加，直到它進入到日層邊界層。在幾十年前，人們發現了在弓形波內部可能發生的衝擊後，電荷交換對數量的影響。但已經能夠區分出與震蕩相關的增長對一個所謂的弓形波內部的逐漸增加的貢獻。該團隊使用的模型所產生的結果與IBEX、Ulysses和Voyager航天器的遠程和現場觀測一致。已經證明與實際太陽風和本地星際介質的整體密度增加相比，次級衝擊的貢獻通常很小。

該模型的模擬還能表明在太陽風層上，通過再現磁場矢量的旋轉，使得磁場矢量在太陽風層上的旋轉沒有「跳躍」，這與航行者我的觀察一致。「heliopause的不穩定行為表明，旅行者1號在進入星際空間的過程中，可能穿越了被太陽風和當地的星際介質等離子體所佔據的連續區域，這一場景與旅行者號在質量上的一致，觀察到在銀河系宇宙射線通量的連續增加和減少。這項研究的最終成功在於它能夠在全球模擬中首次證明，太陽風的破壞可能是由於撕裂模式的不穩定性，可能伴隨著磁性的重新連接。觀察內部的旅行者1號和旅行者2日鞘在日球激波和太陽風層頂符合耗散的日球磁場區域被全球日球電流片，可以被解釋為磁場的磁赤道日球。

有了這些知識，研究人員現在正在展望他們的下一階段的研究。波格洛夫博士說：我們未來的工作是研究太陽風和本地星際介質湍流對磁重連接和在太陽風層附近不穩定的影響，特別是想要使用旅行者1號和旅行者2號的湍流特性的測量數據，它們的精度非常高，並且在模擬中使用這些數據。還可以創建一個描述湍流特性的模型。將會是觀察、理論和模擬的結合——而且毫無疑問會對太陽風層產生同樣令人興奮的洞見。

博科園-科學科普｜參考期刊：天體物理期刊｜來自：亨茨維爾阿拉巴馬大學

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