太阳风实际上是来自太阳的带电粒子——撞击地球的保护性磁场时，冲击波会产生旋转、湍流的磁场，将行星笼罩并绵延数十万英里。这些汹涌的能量都到哪里去了？美国国家航空航天局的太空天气任务之一，称为磁层多尺度或MMS，发现了一种令人惊讶的方式，这种湍流能量被耗散：磁能量被转换成高速喷射的电子，因为磁场断开并重新连接。这一发现将帮助科学家们了解磁重连接在太空中所扮演的角色，例如，在太阳的外层大气中加热令人费解的太阳日冕，并加速超音速太阳风。
在这个可视化中，当超音速太阳风(黄色的雾)在地球磁场周围流动(蓝色波浪线)时，它形成了一个高度湍流的边界层，称为“磁鞘”(黄色漩涡区)。一份新的研究报告描述了磁鞘内的小型磁重连接的观察，揭示了太阳外层和宇宙其他地方加热的重要线索。图片：NASA/GSFC
美国宇航局即将发射的帕克太阳探测任务将于今年夏天直接发射到太阳附件，以研究这些现象，并对地球附近的磁场重新连接有了新的认识。由于磁重连接发生在整个宇宙中，科学家们在我们的星球上了解到它——这更容易被测试——可以被应用到更远的其他进程中。加州大学伯克利分校空间科学实验室的高级研究员Tai Phan说：MMS发现了电子磁场的重新连接，这一新的过程与在地球周围较为平静的地区发生的标准磁场重新连接有很大的不同。这一发现帮助科学家们了解磁场是如何在整个宇宙中消耗能量的。
Phan是一篇论文的主要作者，该论文将于本周发表在《自然》杂志上。在太空中到处都有湍流：在太阳上，在太阳风中，在星际介质中，在恒星周围的星际介质中，在活跃的星系核中，在超新星遗迹的冲击中，还有更多的。湍流磁场是不同的。在地球相对平静的磁层中观察到标准的磁重连接，它就像一个磁场，保护地球不受强烈的太阳风影响。在这个区域内，波动的磁场可以交叉、断裂和重新连接，重新加入的磁场线就像一个橡皮筋一样，在整个磁层中以极高的速度抛出离子化的原子。
离子喷射，电离的氢原子的电离层向相反的方向加速，加热周围的气体并驱动太空天气。一些带电粒子被汇集到北极和南极，在那里它们与大气中的原子碰撞并产生极光。这一新过程发生在离地球表面更远的地方，在一个湍流的区域，太阳风在地球周围形成冲击波，并急剧减速。地球的宽度是地球的两倍，这个区域——磁鞘——是非常湍流的。磁鞘内的湍流包含大量的磁性能量，人们一直在争论这种能量是如何消散的，而磁重连接是可能的过程之一。Phan和他的同事使用MMS的数据来证明新的电子磁重连接过程在湍流中发生较小的尺度，并产生电子而不是离子。
通过标准的重新连接，电子的运动速度比离子快40倍。现在有证据表明，重新连接确实会在磁鞘中消散紊流能量，但这是一种新的重新连接。磁场是否会太狂暴而无法重新连接？在磁层中，磁重连接已被观察无数次，但始终处于平静状态。新事件发生在磁层的外边界外的磁鞘中。在此之前，科学家不知道是否可以在那里重新连接，因为等离子体在那个区域是高度混乱的。MMS发现它确实如此，但是它的规模比以前的宇宙飞船要小得多，它可以探测和理论预测。因为它只涉及电子，所以它仍然被科学家们隐藏起来，寻找标准磁重新连接的特征信号——离子喷射。
伦敦帝国学院讲师、论文的合著者乔纳森·伊斯特伍德(Jonathan Eastwood)说：我们认为这是因为电子的速度快，而且容易参与，但缓慢而重的质子却不能，总的来说，这一结果开辟了新的研究领域，进入了动荡的重新连接领域。MMS由四个相同的航天器组成，它们在一个金字塔或四面体组中飞行，以研究在三维空间中围绕地球的磁场重新连接。因为宇宙飞船飞得非常近，平均距离只有4米半，他们能够观察到以前没人见过的现象。此外，MMS的仪器被设计成能以比以前的任务快100倍的速度捕捉数据。尽管MMS上的仪器非常快，但它们仍然太慢，无法捕捉到湍流的重新连接，这就需要观察到由后退的磁场线所产生的狭窄的快速移动的粒子层。
与标准的重新连接相比，在重新连接的地方，大量的离子喷射出来，湍流的重新连接喷射出狭窄的电子射流，只有几英里宽。但是MMS的科学家们能够利用一种仪器的设计，即快速等离子体调查，来创造一种技术，使他们能够在字里行间读取数据，并收集额外的数据点来解决飞机的问题。美国天主教大学(Catholic University of America)的研究生艾米·拉格(Amy Rager)说：论文的关键事件发生在45毫秒内。这将是有规律数据的一个数据点，开发这项技术，但我们可以用这种方法在该区域得到6到7个数据点，让我们能够理解正在发生的事情。有了这个新方法，MMS科学家们希望他们能够梳理现有的数据集，找到更多的这些事件，以及潜在的其他意想不到的发现。
博科园-科学科普｜参考期刊：Nature｜来自：加州大学伯克利分校
