要闻：普林斯顿大学的研究人员利用超级计算机发现了日冕的隐藏加热过程

来源：cnBeta 　2023-02-05 16:47:56

研究人员发现了一个以前未知的加热机制，解释了为什么"日冕"，即围绕太阳的大气层，比发射它的太阳表面热得多。美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的这一发现有可能帮助解决几个天体物理学之谜，包括恒星的形成，宇宙中大规模磁场的来源，以及预测可能导致地球上手机中断和电网故障的太空天气事件。了解加热过程对聚变能源研究也有重大意义。

【资料图】

首次清晰的三维解释

"我们的直接数值模拟是第一次在三维空间中明确识别这种加热机制，"PPPL和普林斯顿大学的物理学家董传飞说，他通过为世界上最大的此类模拟进行2亿小时的计算机时间来揭开这一过程。"目前的望远镜和航天器仪器可能没有足够高的分辨率来识别在小尺度上发生的过程，"他在《科学进展》杂志上详细介绍了这一突破。

隐藏的成分是一个叫做磁重联的过程，它分离并猛烈地重新连接等离子体中的磁场，等离子体是由电子和原子核组成的汤，形成太阳大气。模拟揭示了磁场线的快速重联如何将大规模的湍流能量转化为小规模的内部能量。因此，湍流能量在小尺度上被有效地转化为热能，从而使日冕变得更热。

"想想把奶油放在咖啡里，"董说。"奶油滴很快就会变成轮状和细长的卷曲。同样地，磁场形成薄薄的电流片由于磁重联而破裂。这个过程促进了从大规模到小规模的能量级联，使这个过程在湍流的日冕中比以前认为的更有效。"

当重联过程缓慢而湍流级联快速时，重联不能影响能量的跨尺度转移。但是当重联速度变得足够快，超过传统的级联速度时，重联可以更有效地将级联推向小尺度。

论文认为，通过打破和重合磁场线产生了被称为等离子体的小型扭曲线链，新的发现将能量转移率与等离子体的增长速度联系起来，加强了能量从大尺度到小尺度的转移，并在这些尺度上强烈加热电晕，这改变了半个多世纪以来被广泛接受的对湍流能量级联的理解。

新发现展示了一个像日冕中那样具有空前大的磁雷诺数的形态，这个大数字表征了湍流级联的新的高能量转移率。磁雷诺数越高，重联驱动的能量转移就越有效。

2亿个小时

在美国宇航局高级超级计算（NAS）设施中，董传飞进行了世界上最大的同类湍流模拟，花费了超过2亿小时计算机CPU的运算时间。PPPL物理学家，普林斯顿大学的天体物理学教授Amitava Bhattacharjee介绍说，这项数值实验首次产生了无可争议的证据，证明了理论上预测的由等离子体生长控制的湍流能量级联范围的机制。

"他在高影响力杂志《科学进展》上的论文完成了他在《物理评论快报》上发表的早期二维结果所开始的计算程序。这些论文构成了传飞作为普林斯顿太阳物理中心成员所做的令人印象深刻的工作的尾声，我们感谢PPPL LDRD[实验室定向研究与开发]拨款促进了这项工作，并感谢NASA高端计算（HEC）计划慷慨地分配了计算机时间。"

这一发现在天体物理系统中的影响跨越了一系列的尺度，可以用目前和未来的航天器和望远镜进行探索。论文说，解开跨尺度的能量转移过程将是解决关键的宇宙之谜的关键。

该研究由美国能源部科学办公室（FES）和NASA资助，计算机资源由NASA HEC与国家能源研究科学计算中心（DOE科学办公室的一个用户设施）和NSF赞助的计算和信息系统实验室一起提供。

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