航天器测量揭示了太阳风加热的机制

伦敦大学玛丽皇后学院领导的一项研究描述了第一次直接测量能量如何从空间中的混沌电磁场转移到构成太阳风的粒子,从而导致行星际空间的加热。

该研究发表在Nature Communications并与亚利桑那大学和爱荷华大学共同开展,研究表明,一个称为Landau阻尼的过程负责将能量从太空中的电磁等离子体湍流转移到太阳风中的电子,从而导致它们通电。

这个过程以诺贝尔奖获得者物理学家Lev Landau(1908-1968)命名,当波浪穿过等离子体并且以相似速度行进的等离子体粒子吸收这种能量时,就会发生这种过程,导致能量减少(阻尼)波浪。

尽管此过程先前已经在一些简单的情况下进行了测量,但尚不清楚它是否仍能在空间中自然发生的高度湍流和复杂的等离子体中运行,或者是否完全存在不同的过程。

在整个宇宙中,物质处于激发的等离子态,其温度远高于预期。例如,太阳日冕比太阳表面热几百倍,这是科学家们仍在努力理解的一个谜。

理解许多其他天体物理等离子体的加热也是至关重要的,例如星际介质和黑洞周围的等离子体盘,以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的等离子体激励机制(如本文第一次所示)将有助于科学家理解许多关于宇宙的开放性问题,例如这些问题。

研究人员利用美国宇航局磁层多尺度(MMS)航天器(最近于2015年发射)的新高分辨率测量结果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。

太阳风是来自太阳并充满整个太阳系的带电粒子(即等离子体)流,而MMS航天器位于太阳风中,当它流过时测量其中的场和粒子。

主要作者,来自伦敦玛丽皇后大学的Christopher Chen博士说:“等离子体是迄今为止宇宙中最丰富的可见物质形式,通常处于高度动态且明显混乱的状态,称为湍流。这种湍流转移能量等离子体中的颗粒导致加热和通电,使湍流和相关的加热在自然界中非常普遍。

“在这项研究中,我们首次直接测量了自然发生的天体物理等离子体中湍流加热过程。我们还验证了新的分析技术是一种可用于探测等离子体激发的工具,可用于关于血浆行为不同方面的一系列后续研究。“

爱荷华大学教授Greg Howes共同设计了这种新的分析技术,他说:“在Landau阻尼过程中,与通过等离子体的波浪相关的电场可以加速电子以正确的速度随着波浪移动,类似于冲浪者捕捉波浪。这种首次成功的观测应用场 - 粒子相关技术证明了它有望回答有关太空等离子体的行为和演化的长期基本问题,例如太阳日冕的加热。

本文还为该技术用于未来太阳系其他区域的使用铺平了道路,例如美国宇航局帕克太阳探测器(于2018年发射),该太阳探测器开始探索太阳附近的日冕和等离子体环境。第一次。