科學家發現等離子為什麼比太空中的電子更熱的原因

在宇宙中存在的物質中，除暗物質以外，99％的可見物質科學家認為處於等離子體（Plasma）狀態。因此，了解等離子體的性質對於理解各種天文現像很重要。從吹出的太陽風和圍繞黑洞的吸積盤，其中的等離子體是非常重要天文現象的典型示例。但是，關於這些天體中等離子體的物理性質，有許多不清楚的地方，其中之一是離子與電子之間的溫差。天文學的等離子很熱但很稀疏，因此粒子之間幾乎沒有碰撞。這種狀態稱為無碰撞狀態。在非碰撞狀態下，組成等離子體的離子與電子之間沒有直接相互作用。因此，離子和電子可以具有不同的溫度。這是我們周圍很難找到的功能。例如，如果將冷牛奶倒入熱咖啡中，則咖啡和牛奶將立即達到相同的溫度。但是，在天文等離子體中，離子和電子保持不同的溫度。實際上，從人造衛星對太陽風的觀測以及吸積盤的理論模型可以知道，在這些天文現像中，離子比電子熱得多。但是為什麼離子比電子還熱？這個問題的答案多年來一直是一個尚未解決的問題。要獲得答案，我們需要對非碰撞等離子體的基本特性有深刻的了解。

這次，由東北大學跨學科科學研究所助理教授川面洋平帶領的國際研究團隊，由牛津大學、普林斯頓大學、加利福尼亞大學伯克利分校、亞利桑那大學和馬里蘭大學的研究人員組成，他們使用了超級電腦。模擬了非碰撞等離子體的湍流，研究了湍流如何加熱離子和電子，並解決這個長期存在的問題。對於非碰撞等離子體，我們不能使用我們用來研究周圍水和空氣流動的流體力學模型。因此，有必要使用稱為運動學的第一原理模型。但是，運動學模型比流體動力學模型複雜得多。因此，研究團隊使用了一種稱為「陀螺運動理論」的模型來模擬非碰撞等離子體湍流，該模型用於研究磁場約束核聚變。通過關注湍流各種波動中的緩慢波動，與原始運動理論相比，陀螺運動理論可以顯著降低仿真的數值成本。該研究小組通過將核聚變模型應用於天文學的跨學科研究，成功解決了天文學等離子體的未解決問題。為了進行此模擬，使用了由國家天文台運行的天文超級電腦以及英國和意大利的超級電腦。

等離子體的湍流中存在水平波動和垂直波動，橫向波波動是指磁力線像弦一樣振動的波動。另一方面，縱向波動是指磁場的密度和強度像聲波一樣波動的縱向波動。至目前為止，在對非碰撞等離子體湍流的研究，已經假定僅存在橫向波動。當僅存在橫向波動時，可能會選擇性地加熱離子，而選擇性地加熱電子。在這項研究中，我們模擬了在更接近實際天體現象的情況下的非碰撞等離子體湍流，在這種情況下，縱向波動和橫向波動首次並存。結果顯示，在所有情況下，離子比電子受熱更強，因為離子比電子更有效地吸收縱向波動的能量。

【圖、文：節譯自日本國立天文台2020年12月15日新聞公佈】研究全文刊登在2020年12月11日出版的《物理評論X》期刊