中央大學太空科學研究新發現 登頂尖天文物理期刊

  • 2020-10-30
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太陽風與地球磁層的交互作用界面的磁場重連現象。太陽風及磁層的組成:電子、離子(主要為質子)、磁場。
圖中磁重連距離地球中心分別爲70000公里及150000公里。圖像郝玲妮教授提供



中央大學郝玲妮教授及研究生首次在太陽風及地球磁層的交互作用中發現磁(場)重連(magnetic reconnection)的新現象。應用NASA 高解析度磁層多尺度人造衞星資料 (Magnetospheric Multiscale Mission; MMS),研究團隊深入分析太空中的磁鏡波(magnetic mirror waves)及磁場重連並建立理論模式,創新成果連續發表於今年六月、九月及十月份的天文物理期刊(The Astrophysical Journal)。

首次發現磁鏡波如漣漪般地環繞著磁重連的核心區域X line的研究成果發表於十月份天文物理評論(The Astrophysical Journal Letters)。郝教授及學生曾於2003年提出理論預測,由於電漿溫度具有非均向性,其所引發的磁鏡不穩定(mirror instability)與磁重連產生共舞,會大大地加速能量轉換並產生爆發性的磁場重組現象。此新研究成果對磁鏡不穩定及磁重連的共振現象提出佐證,亦是MMS衛星自2015 年發射至今,首次使用高解析度觀測資料結合電漿理論模式完整建構出磁重連全貌,確認X line的存在,是MMS衛星任務的最新重要研究成果。

宇宙中有99%的物質是由電漿組成,而磁重連現象易發生於電漿環境中磁場方向逆轉的區域,並已廣泛地用於解釋太陽閃焰、地球磁暴及宇宙星體中,包括脈衝星及黑洞的電漿爆發現象。磁重連核心區域的磁力線呈交錯的X line形狀,其物理特性及磁重連速率是太空天文電漿研究的重要主題。但目前只有太陽系的行星磁層及行星際空間的磁重連現象,可藉由人造衛星㩗帶科學儀器進行實地探測。距離地球約70000公里處,太陽風與地球磁層的交接地帶(磁層頂)是磁重連發生及探測的最佳據點。

首次的地球磁層頂之磁重連,即是由郝教授(Hau and Sonnerup)於1999年以人造衛星資料及理論模式建構出其空間幾何結構及全貌,此研究也帶動了後續的MMS衛星任務規劃。當太陽風的行星際磁場與地球的磁場方向相反時,磁層的保護作用會出現缺口,經由磁重連的機制,來自太陽的帶電粒子會有少部分進入地球的太空環境,造成地球磁暴及太空天氣事件,並伴隨炫麗的極光現象。由於磁層如導體般的可以屏障來自太陽的多數帶電粒子,生命與文明得以在地球上孕育發展,日地交互作用的磁重連研究因此有重要之應用。有趣的是,宇宙中的黑洞也具有自己的磁層及電漿,因而也伴隨著磁重連現象。

MMS 四顆衞星組成邊長15公里的四面體,以0.15秒的高時間解析度收集資料,提供科學家於太空進行前瞻性的電漿物理研究,而磁重連的微觀結構正是首要任務。由於磁重連發生的地點及時間均無法預測,衞星探測找尋磁重連的事件是可遇不可求的任務;尤有甚者,磁重連的核心區域僅幾十公里,人造衛星飛越X line的機會微乎其微,因此多數的研究均無法提供磁重連及X line 發生的直接證據。由郝教授及學生所發展出的理論模式利用MMS衛星穿越地球磁層頂20秒的資料建構出磁重連全貌圖 (2000 公里x 2000公里),發現衛星距離X line僅三十公里,首次見證磁力線如琴弦般地被撥動,磁鏡波則如電漿池中漣漪般的疏密分布,為磁重連增加了多彩繽紛的現象,成果將引領新的電漿及太空天文物理研究。

相關連結:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abbf4a
中大新聞:https://www.ncu.edu.tw/campus/article/2487​