首次直接測量能量從電磁場轉移到太陽風電子，而導致空間升溫！

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倫敦瑪麗女王大學領導了一項研究，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移到構成太陽風的粒子，從而導致星際空間的升溫。這項研究發表在《自然通訊》(Nature Communications)上，由亞利桑那大學(University of Arizona)和愛荷華大學(University of Iowa)聯合開展。研究表明，一種被稱為朗道阻尼(Landau阻尼)的過程，負責將空間中電磁等離子體湍流中的能量轉移到太陽風中的電子上，導致它們被激發。這個過程是以諾貝爾獎得主、物理學家列弗·蘭道(Lev Landau, 1908-1968)的名字命名。當一個波穿過等離子體時，以類似速度運動的等離子體粒子會吸收這種能量，導致波的能量(阻尼)降低。

博科園-科學科普：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生的高度湍流和複雜等離子體中運作，或是否會有完全不同的過程。在整個宇宙中，物質處於激發等離子體狀態，溫度遠高於預期。例如，日冕的溫度是太陽表面溫度的數百倍，科學家們仍在試圖解開這個謎團。

理解許多其他天體物理等離子體的加熱也至關重要，比如星際介質和黑洞周圍等離子體的圓盤，以便解釋這些環境中顯示的一些極端行為。能夠直接測量太陽風中等離子體激發機制的作用(就像本文中首次展示的那樣)，將有助於科學家理解關於宇宙的許多懸而未決的問題。

MMS航天器測量太陽風等離子體與地球磁場相互作用區域的插圖。圖片：NASA

研究人員利用美國宇航局(NASA)磁層多尺度(MMS)航天器(最近於2015年發射)的高解析度測量數據，以及新開發的數據分析技術(場粒子相關技術)發現了這一點。太陽風是帶電粒子流。(等離子體)來自太陽，充滿了我們整個太陽系，而MMS宇宙飛船位於太陽風中，當它流過時，測量其中的場和粒子。該研究的主要作者、倫敦瑪麗女王大學的Christopher Chen博士說：等離子體是目前為止宇宙中可見物質最豐富的形式，通常處於一種被稱為湍流高度動態和明顯混亂的狀態。這種湍流將能量傳遞給等離子體中的粒子，導致加熱和通電，使得湍流和相關的加熱現象在自然界中非常普遍。

在這項研究中，首次直接測量了自然產生的天體物理等離子體中湍流加熱的過程。還驗證了這種新的分析技術，它是一種可以用來探測等離子體激發的工具，可以用於等離子體行為不同方面的一系列後續研究。愛荷華大學格雷格·豪斯教授參與設計了這項新的分析技術：在朗道阻尼的過程中，通過等離子體運動產生的電場可以使電子以適當的速度隨波運動，就像衝浪運動員捕捉波一樣。這是場-粒子關聯技術的首次成功觀測應用，它有望回答有關空間等離子體行為和進化的長期、基本問題，比如日冕加熱。這篇論文也為這項技術在未來的太陽系其他區域任務中使用鋪平了道路，比如NASA帕克太陽探測器(2018年發射)，它將首次開始探索太陽附近的日冕和等離子環境。

博科園-科學科普｜研究/來自: 倫敦大學瑪麗皇后學院

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-019-08435-3

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