吸积黑洞的两个模拟。在左侧，等离子体被建模为流体。在右侧，它被视为粒子的集合体，在等离子体密度（紫色）和磁场线（白色）上产生巨大差异。
由 Alisa Galishnikova 提供
介绍
在短暂的发作期间，太阳偶尔会向太空释放大量能量。这些被称为太阳耀斑的爆发仅持续几分钟，它们可以在地球上引发灾难性的停电和耀眼的极光。但是我们关于这些耀斑如何工作的主要数学理论无法预测我们观察到的强度和速度。
这些爆发的核心是一种将磁能转化为强大的光和粒子爆炸的机制。这种转变是由一种叫做磁重联的过程催化的，在这个过程中，碰撞的磁场会破裂并立即重新排列，将物质弹射到宇宙中。除了为太阳耀斑提供动力外，重联还可以为恒星爆炸喷出的高速高能粒子、 黑洞中的喷流的辉光以及太阳吹来的持续风提供动力。
尽管这种现象无处不在，但科学家们一直在努力理解它是如何有效地发挥作用的。最近的一项理论提出，在解决磁重联之谜时，微小的物理学起着重要作用。特别是，它解释了为什么一些重新连接事件的速度如此之快——以及为什么最强的事件似乎以特有的速度发生。了解重新连接的微观物理细节可以帮助研究人员为这些能量爆发建立更好的模型，并理解宇宙的暴怒。
“到目前为止，这是我能看到的最好的理论，”普林斯顿大学的等离子体物理学家Hantao Ji说，他没有参与这项研究。 “这是一项巨大的成就。”
摸索流体
宇宙中几乎所有已知物质都以等离子体的形式存在，等离子体是一种炽热的气体汤，地狱般的温度将原子剥离成带电粒子。当它们四处移动时，这些粒子会产生磁场，然后引导粒子的运动。这种混乱的相互作用编织出一团乱七八糟的磁场线，就像橡皮筋一样，在拉伸和扭曲时储存越来越多的能量。
在 1950 年代，科学家提出了等离子体如何释放其被压抑的能量的解释，这一过程后来被称为磁重联。当指向相反方向的磁场线发生碰撞时，它们会断裂并交叉连接，像双面弹弓一样发射粒子。
但这个想法更接近于一幅抽象画，而不是一个完整的数学模型。科学家们想了解这个过程如何运作的细节——影响折断的事件，释放如此多能量的原因。但热气体、带电粒子和磁场之间混乱的相互作用很难从数学上解决。
天体物理学家 Peter Sweet 和 Eugene Parker 在 1957 年描述的第一个定量理论将等离子体视为磁化流体。这表明带相反电荷的粒子的碰撞会吸引磁场线并引发失控的重联事件链。他们的理论还预测这个过程会以特定的速率发生。在相对较弱的实验室锻造等离子体中观察到的重联率与他们的预测相符，太阳大气下层较小喷流的重联率也是如此。
但是太阳耀斑释放能量的速度比 Sweet 和 Parker 的理论所能解释的要快得多。根据他们的计算，这些耀斑应该在几个月而不是几分钟内展开。
最近，来自美国宇航局磁层卫星的观测发现，这种更快的重新连接发生在距离地球更近的地方，即地球自身的磁场中。这些观察以及数十年计算机模拟的证据证实了这种“快速”重联率：在能量更高的等离子体中，重联发生的速度约为磁场传播速度的 10%——比 Sweet 和 Parker 的理论预测快几个数量级.
10% 的重新连接率是如此普遍，以至于许多科学家认为这是“上帝赐予的数字”，普林斯顿大学的研究员Alisa Galishnikova说。但求助于神并不能解释是什么让重新连接如此之快。
神号
在 20 世纪 90 年代，物理学家不再将等离子体视为流体，事实证明这种做法过于简单化。放大来看，磁化汤实际上是由单个颗粒组成的。而这些粒子如何相互作用产生了至关重要的差异。
“当你到达微尺度时，流体描述开始崩溃，”普林斯顿大学的等离子体物理学家Amitava Bhattacharjee说。 “[微观物理]图片中包含流体图片永远无法捕捉到的东西。”
在过去的二十年里，物理学家一直怀疑称为霍尔效应的电磁现象可能是快速重新连接的秘密：带负电的电子和带正电的离子具有不同的质量，因此它们以不同的速度沿着磁场线移动。该速度差在分离的电荷之间产生电压。
2001 年，Bhattacharjee 和他的同事表明，只有包含霍尔效应的模型才能产生适当的快速重连率。但究竟该电压如何产生神奇的 10% 仍然是个谜。 “它没有告诉我们’如何’和’为什么’，”达特茅斯学院的等离子体物理学家Yi-Hsin Liu说。
电子（红色）和离子（白色）在天体物理等离子体中以不同的速度沿着磁场线运动，产生的电压使磁重联更有效。
NASA 的科学可视化工作室
介绍
现在，在最近发表的两篇理论论文中，刘和他的同事们试图填补细节。
第一篇论文发表在Communications Physics上，描述了电压如何感应出一个磁场，该磁场将电子从两个碰撞磁区的中心拉开。这种转移会产生真空，吸入新的磁力线并将它们挤压在中心，从而使磁性弹弓更快地形成。
“那张照片被遗漏了……[但]它正盯着我们的脸，”马里兰大学的等离子体物理学家吉姆德雷克说。 “这是我见过的第一个令人信服的论据。”
在发表于《物理评论快报》的第二篇论文中，刘和他的本科生研究助理马修古德布雷德描述了相同的真空效应如何出现在含有不同成分的极端等离子体中。例如，在黑洞周围，等离子体被认为由电子和同等质量的正电子组成，因此霍尔效应不再适用。然而，“神奇的是，重新连接仍在以类似的方式进行，”刘说。研究人员提出，在这些更强的磁场中，大部分能量都用于加速粒子而不是加热它们——再次造成压力耗尽，从而产生惊人的 10% 速率。
“这在理论上是一个重要的里程碑，”哥伦比亚大学的理论天体物理学家Lorenzo Sironi说，他从事高能等离子射流的计算机模拟。 “这给了我们信心……我们在模拟中看到的并不疯狂。”
拾取粒子
科学家无法在大规模等离子体模拟中对每个单独的粒子进行建模。这样做会产生数十亿兆字节的数据，需要数百年才能完成，即使使用最先进的超级计算机也是如此。但研究人员最近想出了如何将这样一个笨重的系统作为一个更小、更易于管理的粒子集来处理。
为了研究考虑单个粒子的重要性，Galishnikova 及其同事比较了两种吸积黑洞模拟——一种将等离子体视为均匀流体，另一种将大约 10 亿个粒子扔进混合物中。他们的结果发表在 3 月份的《物理评论快报》上，表明结合微物理学会导致黑洞耀斑、粒子加速和亮度变化的截然不同的图像。
现在，科学家们希望像 Liu 这样的理论进步能够导致磁重联模型更准确地反映自然。但是，虽然他的理论旨在解决重新连接率问题，但它并没有解释为什么一些场线碰撞并触发重新连接而不是其他场线。它也没有描述流出的能量是如何分配到喷流、热量和宇宙射线中的——或者这些能量是如何在三维和更大尺度上起作用的。尽管如此，刘的工作表明，在适当的情况下，磁重联如何能够足够有效地驱动短暂但剧烈的天体爆发。
“你必须回答‘为什么’这个问题——这是推动科学发展的关键部分，”德雷克说。 “有信心我们理解这个机制，这让我们有更好的能力去弄清楚发生了什么。”
原文： https://www.quantamagazine.org/the-tiny-physics-behind-immense-cosmic-eruptions-20230515/