麻省理工解开高能电子加速之谜

据美国物理学家组织网近日报道，美国麻省理工学院（MIT）等机构的科学家发现，通过将计算机模拟与宇宙飞船观测到的细节精确结合，不仅可以解开高能电子加速之谜，也能提升对于可损害卫星的太空高能电子流的预测能力。相关研究报告发表在本月26日的《自然·物理学》杂志上。

此项研究借助了橡树岭国家实验室内的巨型计算机，利用2.5万个处理器平行工作，耗时11天来追踪在磁重连事件过程中多达1180亿个模拟太空粒子的运动。科学家使用了洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）开发的等离子体物理代码，严格分析了磁重连的演变。

此前困惑物理学家的是在磁重连事件中产生的高能电子数量。根据理论，地球磁尾中的等离子体（带电气体）应该是一个近乎完美的导体，高能电子不可能沿磁场线的方向维持一个电场，但这个场正是加速电子所需的。

MIT物理系副教授简·艾格代最初曾提出过一个理论来解释地球磁尾中的大规模电子加速，即一种由太阳风引发的、从地球向外席卷的广大和强烈的磁场，直到这次他们从计算机模拟中获得了新的数据。新模拟显示地球磁尾的活跃区域，即磁场内重连事件的发生地，要比之前设想的大1000倍。这意味着由这些事件激发的空间，大到足以解释在飞船任务中探测到的大量高速电子。

科研人员解释说，太阳风延伸了地球磁场的场力线，这个场就存储了像橡皮筋一样可伸展的能量。当平行的场力线忽然重新连接时，它们会猛然同时释放高达数万伏特的能量，就像释放橡皮筋一样，推动电子返回地球，并同时影响上层大气。这种直接或间接的影响能引发上层大气等离子体的发光，形成极光，在夜空中壮观地显示。

虽然这一分析目前只针对地球的磁尾现象，但研究人员表示相似的现象也可能发生在包含太空中磁化等离子体的更广区域，例如太阳日冕物质喷射所占据的区域就可比理论预想的大1万倍，又或者是深空中环绕脉冲星和其他高能量物体的更大区域。科学家希望未来能够实施针对太阳日冕物质抛射的模拟，而这一模拟可扩大规模达100倍。这对于学界更好地了解等离子体的特性等将大有裨益。