宇宙中为什么会有这样那样的爆炸?

作者:威尼斯平台注册   来源:http://www.wzsunlord.com    栏目: 威尼斯平台登录    日期:2019-09-21

  磁场碰撞会发生强烈爆炸,并迅速释放巨大能量。现在,科学家们可能已经解开了这个困扰人类数十年的谜团,即:这些爆炸为何如此迅猛?该发现有望解释宇宙中那些最强爆炸的源头,并为制造稳定的核聚变反应堆指明方向。

  说到宇宙中的各种爆炸,不得不提到等离子体。等离子体是由带电粒子组成的云团,组成恒星和已知宇宙中的大部分普通物质,它们天然自带磁场。当磁场相互碰撞时,例如,当一阵太阳风等离子体撞击地球周围的带电粒子层(称为“磁层”)时,磁感线就会发生断裂,并重新连接(称为“重联”),从而发生猛烈的“爆炸”,将磁能迅速转化为热能和动能。

  宇宙中最强烈的爆炸――“伽马射线暴”,便可能由等离子体中的磁感线“重联”而产生,当这些等离子体落入黑洞中,磁场互相碰撞,便能释放巨大能量形成伽玛暴。

  磁感线“重联”对地球同样会产生重大影响,例如,它可以引起诸如太阳耀斑一类的爆发,进而引发地球上的“地磁暴”。1989年整个魁北克因此而断电!

  此外,“重联”还会干扰核聚变实验,这些实验旨在模仿太阳中的聚变反应,因为太阳就是一个不断进行着核聚变反应的等离子体。在实验中,往往需要利用外磁场来限制和加热等离子体,使之达到足够的高温,从而让原子核能够融合,亦即发生核聚变反应并释放能量。但是“重联”会让该加热过程受到阻碍,使得等离子体无法达到必需的温度。

  磁感线“重联”一般发生在电流密集的等离子薄层中。根据当前最流行的重联模型(于上世纪50年代被提出),这些“电流片”会限制磁感线断裂和重联的速度,使得快速重联不可能发生。然而,对上世纪50年代的太阳爆发进行的观测以及其后许多其他发现都显示,快速重联经常发生,这和该模型的理论预测大相径庭。

  2016年,纽约哥伦毕业大学的物理学家卢卡科米索和他的同事们提出了一个新模型,被认为可以解决快速重联背后的谜题。他们将快速重联归因于一种称为“等离子体团不稳定性”的效应,该效应会将等离子体中的“电流片”分解成一个个小的“磁泡”,使得快速重联得到解释。

  科米索能取得这一突破,要感谢法国数学家皮耶德费马提出的“时间最短原理”。在17世纪,费马指出,光从一个点去向另一个点时会选择最短路线。科米索认为,这有助于揭示哪些不稳定因素会出现并逐渐破坏电流片,导致快速磁重联过程发生。

  虽然该模型能够解释等离子粒团随时间的增大、增多行为,然而,研究者们一开始并没有考虑等离子体的粘度,因此该模型只对粘性较低的等离子体适用,例如太阳等离子体。

  现在,研究小组在模型中加入了粘度因素,使其对于更具粘性的等离子体也同样适用,比如核聚变反应堆中的等离子体,黑洞和中子星吸积盘中的等离子体,以及恒星和星系之间的云团中的等离子体。科米索表示:“现在这些公式更完备了,因为它们可以描述更大范围的天体物理系统。”

  总之,“等离子体的粘性会减缓等离子粒团的不稳定速率,”科米索说,“如果我们在一个粘度很大的等离子体系统中应用忽略等离子体粘度的公式,肯定会得出错误的预测。”他们将该项发现发表在11月28日出版的《天体物理学杂志》上。

  科米索指出:“现在,我们能够对快速重联何时发生做出更准确的预测”,如果该模型得到验证,将有助于科学家在分析太阳磁场的基础上更准确地预测太阳耀斑的爆发。

  此外,这一研究成果还能够帮助科学家设计核聚变反应堆,用更稳定可靠的方式对等离子体进行磁约束。

  哈佛-史密森尼天体物理中心的等离子体天体物理学家尼克墨菲称,即将建设的“FLARE”磁重联装置“将赋予我们测试这个模型的机会”。FLARE将建在普林斯顿大学,是地球上研究磁重联的最大项目。墨菲并未参与科米索的研究。他表示:“我们可以在等离子体内部署探测器,观察磁场如何演化以及释放多少能量,同时测试该模型对于等离子粒团不稳定性发展速率的预测。”

  科米索称,之后将研究所谓的无碰撞等离子体系统,在这些等离子体中,组成等离子体的粒子之间相互作用十分微弱,以至于它们之间的任何碰撞对等离子体的整体行为都没有明显的影响。科米索指出,“行星的磁层”就是这样的等离子体。

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