伦敦玛丽女王大学领导了一项研究，该研究首次直接测量了能量如何从太空中的混沌电磁场转移到构成太阳风的粒子，从而导致星际空间的升温。这项研究发表在《自然通讯》(Nature Communications)上，由亚利桑那大学(University of Arizona)和爱荷华大学(University of Iowa)联合开展。
研究表明，一种被称为朗道阻尼(Landau阻尼)的过程，负责将空间中电磁等离子体湍流中的能量转移到太阳风中的电子上，导致它们被激发。这个过程是以诺贝尔奖得主、物理学家列弗·兰道(Lev Landau, 1908-1968)的名字命名。当一个波穿过等离子体时，以类似速度运动的等离子体粒子会吸收这种能量，导致波的能量(阻尼)降低。
博科园-科学科普：虽然这一过程以前曾在一些简单的情况下测量过，但尚不清楚它是否仍将在空间中自然发生的高度湍流和复杂等离子体中运作，或是否会有完全不同的过程。在整个宇宙中，物质处于激发等离子体状态，温度远高于预期。例如，日冕的温度是太阳表面温度的数百倍，科学家们仍在试图解开这个谜团。理解许多其他天体物理等离子体的加热也至关重要，比如星际介质和黑洞周围等离子体的圆盘，以便解释这些环境中显示的一些极端行为。能够直接测量太阳风中等离子体激发机制的作用(就像本文中首次展示的那样)，将有助于科学家理解关于宇宙的许多悬而未决的问题。
MMS航天器测量太阳风等离子体与地球磁场相互作用区域的插图。图片：NASA
研究人员利用美国宇航局(NASA)磁层多尺度(MMS)航天器(最近于2015年发射)的高分辨率测量数据，以及新开发的数据分析技术(场粒子相关技术)发现了这一点。太阳风是带电粒子流。(等离子体)来自太阳，充满了我们整个太阳系，而MMS宇宙飞船位于太阳风中，当它流过时，测量其中的场和粒子。该研究的主要作者、伦敦玛丽女王大学的Christopher Chen博士说：等离子体是目前为止宇宙中可见物质最丰富的形式，通常处于一种被称为湍流高度动态和明显混乱的状态。这种湍流将能量传递给等离子体中的粒子，导致加热和通电，使得湍流和相关的加热现象在自然界中非常普遍。
在这项研究中，首次直接测量了自然产生的天体物理等离子体中湍流加热的过程。还验证了这种新的分析技术，它是一种可以用来探测等离子体激发的工具，可以用于等离子体行为不同方面的一系列后续研究。爱荷华大学格雷格·豪斯教授参与设计了这项新的分析技术：在朗道阻尼的过程中，通过等离子体运动产生的电场可以使电子以适当的速度随波运动，就像冲浪运动员捕捉波一样。这是场-粒子关联技术的首次成功观测应用，它有望回答有关空间等离子体行为和进化的长期、基本问题，比如日冕加热。这篇论文也为这项技术在未来的太阳系其他区域任务中使用铺平了道路，比如NASA帕克太阳探测器(2018年发射)，它将首次开始探索太阳附近的日冕和等离子环境。
博科园-科学科普｜研究/来自: 伦敦大学玛丽皇后学院
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-019-08435-3
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