中科大在湍動磁場重聯電子加速領域取得重要進展

　　近日，中國科學技術大學陸全明和王榮生研究團隊，在湍動磁場重聯電子加速研究領域取得重要進展。相關成果在線發表於《自然·通訊》(Nature Communications)。

　　論文第一作者為中科大博士生李新民，共同通訊作者為中科大地球和空間科學學院教授王榮生和陸全明。

　　圖片來自《自然·通訊》(Nature Communications)

　　基於地球磁層多尺度衞星(MMS)原位探測數據，前述團隊首次發現磁場重聯擴散區可演化為湍流態。在處於湍動態的磁場重聯擴散區，電子可通過多種加速機制（二階費米、電子感應加速器加速、靜電勢等）被有效地加速至相對論能量（約為300KeV，KeV為千電子伏特），並在分佈函數上呈現冪律譜分佈。冪律分佈是指某個具有分佈性質的變量，且其分佈密度函數是冪函數的分佈。

　　磁場重聯是一種基本的等離子體物理過程。該過程中，磁自由能被快速地釋放而轉化為等離子體動能和熱能，併產生高能電子。由磁場重聯產生的高能電子被認為是伽馬射線爆，太陽耀斑，以及磁暴等現象的主要驅動原因。

　　等離子體湍流是另一種基礎的等離子體現象，廣泛存在於空間等離子環境中。在等離子體湍流中，能量可以從大尺度輸運到小尺度，最終在動力學尺度被耗散，並加熱或加速等離子體。

　　前述兩個基礎的等離子體物理過程相互耦合，湍流可以由重聯產生。反過來，重聯的演化也會受到湍流影響。

　　圖1：重聯事例概覽，(a)-(e)分別為磁場、離子流速、電子温度、電流密度和高能電子通量，圖片來自中科大

　　利用高時空分辨率、高精度的衞星數據，研究團隊在地球磁尾電流片中觀測到一個正在發生重聯的電流片，而且衞星穿越了重聯的擴散區（如圖1中陰影部分）。與典型重聯模型不同，該擴散區不是一個完整的層流電流片，而是破碎為大量電流絲（如圖1d）。這些不同強度（如圖2a），不同尺度的電流絲 （如圖2b）在擴散區內沿着各個方向延伸（主要為x和y方向），並相互交織，形成了一個三維的網狀電流體系，即該擴散區處於湍流狀態。

　　圖2：擴散區內絲狀電流絲的統計特徵，(a)為絲狀電流絲強度，(b)為絲狀電流持續時間(尺度)，顏色表示地心-太陽黃道座標系(GSE)下電流絲的主導方向，圖片來自中科大

　　在前述湍流態的擴散區內，高達300KeV的高能電子通量顯著增加（如圖1e），且高能電子在分佈函數上呈現冪律譜分佈（如圖3）。研究結果表明，重聯的擴散區可以演化為湍流狀態，電子在湍流態的擴散區內可被有效加速至幾百KeV。

　　圖3：電子分佈函數，其中黑色為背景電子分佈，圖片來自中科大