欧洲航天局空间探测器揭示空间等离子体流异常高温之迷

据国外媒体报道，欧洲航天局四个空间探测器组成飞行编队通过大约距离地球9万6千公里（地球到月球距离的四分之一）的磁场中心，监测到以超过每小时800公里速度向地球冲击而来的等离子体喷流，该探测器飞行编队详细检测了内磁层的哨声波，并提供了关于磁层在等离子体冲击下的通量堆积，这种影响导致对电子的加热和加速效应，类似电子回旋加速器中的加速原理。相关的论文已发表在《物理评论快报》上。

（地球磁尾高温高速等离子体喷流的效果图）

高速等离子喷流是宇宙中极为常见的一种现象，其可以产生于太阳耀斑、地球磁层以及中心具有黑洞提供能量的各种天体中。然而，在欧洲空间局的探测器编队对其进行了现场监测之后，这种电离态的粒子流的作用过程需要重新被天文学家所审视。宇宙中大多数可见的物质都存在等离子体，其来源于极为炙热的气体中原子的外层电子被剥离，成为带电粒子（离子）以及出现磁化现象。而现在，关于等离子体被加热转化出高能粒子的过程仍然是一个基础性的问题，因为在天体物理中，等离子体之间出现碰撞还是较为罕见的情况。

要研究磁化等离子体间能量转化的关键因素在于解决磁重联现象（一种磁场区域突然间出现的重新排列），这种重新排列导致了巨大储存状态的磁场能的释放。大多数情况下，释放出来的能量转化为周围的等离子体，这也是等离子体粒子加速和加热的原因。对这个现象最佳的研究场所就是在太空中，在地球背向太阳的一侧。那儿的地球磁场会形成一条长长的尾巴，我们称之为磁尾。而在磁尾的中心有一个区域被认为是等离子体片，这个区域聚集了大量的等离子体，其等效的温度可以达到5000万摄氏度，可以说这个区域是宇宙中最热的地方之一。当磁重联发生在磁尾的时候，等离子体就像被充满能量似的而产生喷流。

观测这片位于磁尾等离子片的高能喷流有助于研究等离子体加速和加热的过程。特别是欧洲空间局由4个探测器组成的空间飞行编队进行现场监测，将使得人类得以了解高能粒子的加速机制。这四个探测器组成的空间飞行编队形成一个四面体穿过磁尾的中心，这个距离大约在地球背向太阳一则的9.6万公里处。探测器上搭载的各种粒子、电场和磁场分析仪迅速地监测了在等离子片区域内的喷流情况，瑞典空间科学研究院与英国伦敦大学下属的著名玛拉德空间科学实验室的研究小组详细分析了来自探测器的数据，得到了喷流最大速度超过每小时800公里在内的各项参数。

本次监测的等离子喷流产生于磁重联的过程中（地球磁尾等离子片区域南北两侧的磁力线突然出现联合的过程），研究的重点在于沿着磁力线运动的粒子如何创造出一个等离子体喷流。然而，研究小组还发现：在喷流达到极大值之前，磁场强度出现急剧增加的现象，其伴随的电子能量可以达到千电子伏(keV)的数百倍。

（欧洲空间探测器编队飞行）

探测器传回的其他数据也表明：这种等离子体喷流在形成之初的温度还是比较低的，其之所能出现温度的急剧升高是因为类似摩擦加热的机制在起作用。这种作用的主体是喷流内的粒子出现相互摩擦，并加上磁场的突然增加所产生的效应，但是喷流的前段由于磁场的突然增强而出现速度降低，这就导致了喷流前段产生堆积效应，进一步增强了后续喷流中的粒子的相互摩擦作用，使得温度进一步上升。

正是由于地球南北磁场出现的突然联接，在喷流前段产生的通量堆积区域，加热了等离子体以及对电子的加速作用，这个现象类似电子加速器的加速原理。此外，探测器编队还揭示了“哨声波”的存在，第一次提供了对其作用过程的监测数据，并在通量堆积区域内对粒子加速过程中同样扮演了重要角色。据欧洲空间局探测器编队飞行任务项目的科学家Arnaud Masson介绍：在一个较为稳定的条件下，这种哨声波具有相当快的分散消失特性。而正是监测到通量堆积效应滞后了喷流前段的速度，才使得对这项等离子体的研究有了突破性的进展。结合以往的研究，进一步证实了在位于地球尾部的磁场重新连接之后产生的回旋加速，创造了高能粒子喷流。

另外，探测器高灵敏度的监测仪器也检测到电磁波的存在，同时也是首次证实了其在喷流中电子回旋加速过程中所扮演的决定性作用，通过散射粒子的过程有效地影响并提高了粒子间的碰撞，否则在正常情况下，这种粒子间的碰撞将是非常罕见的。探测器除了对喷流发生的机制作了详细的监测外，研究小组的科学家们据此还提供了一种新的用于测量距离地球较远宇宙空间内的粒子喷流的方法，同时探测器的数据也解释了当喷流在远离磁场相互作用的区域时如何变得更加的活跃。