磁層多尺度任務衛星捕捉到電子在磁重聯擴散區中的動力學行為

廣濶的宇宙空間並非想像中那麼空曠，除了尚待證實的暗物質與暗能量外，等離子體佔據了宇宙有形物質的99%。當磁場極性相反的等離子體相互靠近時，磁力線會突然斷開並重新聯結，這就是等離子體中的一種基本物理過程：磁重聯。磁重聯使磁自由能快速轉化為等離子體的動能和熱能，最早用於解釋太陽耀斑爆發中的電子加速，因為它也是高能帶電粒子進入地球磁層的一種重要觸發機制，所以備受研究者關注。

磁重聯概念提出後，科學家們通過理論模型、數值模擬、衛星觀測、實驗室等離子體裝置等方式對其進行了大量系統的研究。隨著計算機性能和衛星數據分辨率的提升，人們對磁重聯的認識也越來越深入：當研究尺度大於離子尺度時，離子、電子都凍結在磁力線上；介於離子與電子尺度之間時，離子與磁力線解耦；在電子尺度時，電子與磁力線解耦。很容易推理，磁力線最終是在電子尺度完成斷開和重聯的。因此，研究擴散區中電子尺度的動力學過程，成為近年來磁重聯研究的重要方向。

2015年，美國太空總署發射了由四顆衛星構成的磁層多尺度任務衛星（Magnetospheric Multiscale Satellite，簡稱 MMS），用於收集有關磁重聯現象的粒子信息，MMS超高的時空分辨率為重聯擴散區電子尺度動力學的研究提供了契機。在任務的第一階段（2015-2016年），MMS反複穿越日側磁層頂，對非對稱磁重聯進行研究。在第二階段（2017年），衛星軌道穿越了對稱度極高的磁尾，這種最簡單的對稱位形，可以排除其他復雜因素的干擾，有利於純粹從基本物理角度出發來探索磁重聯的核心問題。

近日，美國新罕布什爾大學（University of Newhampshire）等機構的研究人員發表的最新研究成果顯示，2017年7月11日，MMS在磁重聯擴散區中首次完整地捕捉到了電子的動力學過程，完美地重現了電子在微小尺度時的行為。據估算，擴散區的橫縱比為0.1-0.2，是一起典型的快速磁重聯事件。在擴散區裡，還觀測到了速度高達每秒一萬五千公里的超阿爾文速電子噴流（super‐Alfvénic electron jet）。　

以往的觀測和理論研究發現，電子速度空間的新月形分佈是電子擴散區的典型特徵。在這起事件中，電子速度呈現多新月形分佈，通過數值模擬可以對這種分佈進行驗證。這種平整的多層成分電子分佈的存在，表明在重聯點附近，電子的動力學行為更接近層流狀態而不是湍流，這不同於我所之前發表與湍流相關的磁通量繩合併的觀測結果。這些結果使人們對磁重聯擴散區中的電子動力學有了一個全新的認識。

【圖：美國太空總署；文：節錄自中國科學院地質與地球物理研究所網頁；新聞訊息由林景明提供】