天体物理等离子体具有保持磁性拓扑结构的显著能力，这不可避免地导致了在应力区域(包括电流片)内磁能的积累。这种储存的能量经常通过磁重连的过程爆炸释放，这产生了一个重新配置的磁场，以及高速流动、热加热和非热粒子加速。
磁重联会引发宇宙中的爆炸现象，产生太阳耀斑和太空风暴，从而导致手机服务和电网瘫痪。这个过程仍然是一个令人费解的过程。
现在，美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们已经详细列出了解开这一谜题的关键方面的路线图，这可能会加深对宇宙运行的洞察。
重新连接转换磁场能源到天体物理等离子体中的粒子爆发，通过断开和爆炸重新连接磁场线——这一过程发生在所谓的耗散区，通常比它们影响的区域要小得多。
“等离子体不喜欢重新连接，”PPPL物理学家、普林斯顿大学教授季汉涛说，他是《自然评论物理》上详细描述路线图的论文的第一作者。“然而，当磁场受到足够的压力时，重新连接确实会发生。”他说。“耗散尺度很小，而天体物理尺度非常大，可以延伸数百万英里。找到一种通过多尺度机制连接这些尺度的方法是解决重新连接难题的关键。”
该路线图概述了开发具有多尺度能力的技术的作用，例如实验室重连实验设施(FLARE)，这是一个最近安装的合作设施，正在升级，将探索实验室实验从未接触过的磁重连方面。与这些实验相辅相成的是对即将到来的百亿亿次超级计算机的模拟，其速度将比目前的计算机快十倍。“希望耀斑和百亿亿次计算能携手并进。”霁说。
PPPL路线图提出的工作理论是，沿着漫长的等离子体电流片重新连接而产生的多个等离子体或磁岛，可以在巨大的尺度范围内架起桥梁。这样的等离子体将更接近受影响的重连区域，多尺度的实验室实验计划为这一理论提供第一个测试，并评估竞争的假设。
“百亿亿次将允许我们根据高保真耀斑实验进行更可信的模拟，”该论文的共同作者、PPPL物理学家柳钟秀说。新机器的尺寸和功率增加了——它的直径将是suv大小的磁重联实验(MRX)的两倍，这是PPPL长期以来的实验室实验——并将使科学家更忠实地复制自然界的重联。
“与MRX相比，耀斑可以通过多个重连点访问更广泛的天体物理领域，并在重连期间测量场的几何形状。”该论文的合著者、洛斯阿拉莫斯国家实验室的计算科学家威廉·多尔顿说。“理解这物理对于预测太阳耀斑中的重联过程非常重要。”他说。
关键的挑战
即将到来的实验的一个关键挑战将是创新新的高分辨率诊断系统，摆脱限制性假设。一旦开发成功，这些系统将使耀斑卫星能够建立在磁层多尺度任务所产生的卫星观测的基础上，磁层多尺度任务是一个由四艘航天器组成的舰队，于2015年发射，以研究环绕地球的磁层磁场的重新连接地球．
“了解多尺度物理的进展很大程度上取决于未来十年此类诊断系统的创新和有效实施。”该报称。新发现将解决一些悬而未决的问题，包括:
- 重新连接到底是如何开始的?
- 爆炸等离子体粒子是如何被加热和加速的?
- 重连在诸如湍流和空间冲击等相关过程中起什么作用?
总的来说,“这篇论文计划为整个空间物理学和天体物理学界提供解决多尺度问题的方法。”柳说。这样的解决方案将标志着朝着更全面地理解整个地球大系统中的磁重连迈出了重要的一步宇宙．
期刊引用
- Ji Hantao, William Daughton, Yoo Jongsoo。百亿亿次计算和多尺度实验时代的磁重联。Nat Rev physical 4,263 - 282(2022)。DOI:10.1038 / s42254 - 021 - 00419 - x
