磁場重聯

磁場重聯（magnetic reconnection），或磁力線重聯（magnetic field line reconnection），又稱磁場湮滅，是天體物理中一種非常重要的快速能量釋放過程，也是磁能轉化為粒子的動能、熱能和輻射能的過程。普遍認為太陽上的能量釋放就是磁重聯導致的。

磁場重聯，取描述磁力線“斷開”（break）再“重新連接”（reconnect）的物理過程的意思。磁場重聯是科學家迄今知之甚少的神秘領域之一，美國國家航空航天局(NASA)最近一項日地探測任務——磁層多尺度任務(Magnetospheric Multiscale，MMS)，將對此進行深入研究，以大大增進人們對這一現象的了解。

2016年6月21日，中國天文學家首次觀測到了太陽上一個全新物理現象——磁重聯可以釋放磁紐纏。

太陽大氣層中的突然爆炸，在短短几分鐘內釋放出相當於數十億顆原子彈的能量。耀斑的起因是太陽磁場突發的重新排布。這些磁場從太陽表面向上拱起，可以通過在磁場束縛下的發光氣體來追尋它們的蹤跡。

03年10月底11月初，科學家目睹了一場有記錄以來最大的太陽耀斑(solar flare）爆發。這些帶電粒子大規模地傾瀉而出，即使在地球以及地球周圍的空間里也顯而易見——這裡距離源頭整整有1.5億千米遠。舉例來說，突擊到我們鄰近空間中的粒子，它們的轟擊有時會非常強大，以至於許多科學衛星和通信衛星不得不暫時關閉，少數還遭到永久性的損傷。同樣，國際空間站的宇航員也面臨著危險，不得不到空間站上防護相對較好的服務艙中尋求庇護。在地球上，定期航班避開了高空航線，因為在那裡，飛行員可能會遇到無線電通訊方面的問題，乘客和乘務人員可能吸收到的輻射劑量令人擔憂。電網也不得不嚴格監控電涌(surge）。儘管有了這些努力，瑞典南部的5萬戶居民還是短暫地失去了電力供應。

幸運的是，即使與最糟糕的太陽風暴狹路相逢，地球的磁場和大氣層也可以保護地球上絕大多數的人免遭蹂躪。但是社會對科技的依賴日益加深，使得在某種程度上，幾乎每個人都容易遭受攻擊，參見《科學美國人》2001年4月號詹姆斯·L·伯奇所著《太空風暴的怒吼》一文。在大耀斑爆發的過程中，最大的潛在破壞來自那些高速射離太陽外層大氣的物質——在空間物理學家的術語中，它們被稱為“日冕物質拋射（coronal mass ejections）”。其中一些拋射事件會將巨量的電離氣體送入與地球相撞的軌道中，就像2003年多次異常巨大的耀斑爆發那樣。

儘管科學家一直想弄清楚是什麼引起了耀斑爆發和日冕物質拋射（它總是伴隨著眾多耀斑出現），但只有十年中，觀測才達到足夠的水準，足以揭露出它們的紛繁複雜，闡明它們背後的物理機制。這多虧了20世紀90年代引入的一些新技術。結果證明，問題的關鍵在於磁力線突然的重新排布，這種現象被稱為磁重聯（reconnection）。

2016年6月21日，中國天文學家首次觀測到了太陽上一個全新物理現象——磁重聯可以釋放磁紐纏。

這是科學家利用中國自主研製的設備首次觀測到這種新的現象，同時又通過磁流體力學數值模擬重現了這一物理過程。相關研究成果已發表在國際權威期刊《自然·通訊》上。該項研究成果由中科院雲南天文台、南京大學、中科院紫金山天文台、德國波茨坦大學、中科院國家天文台合作完成。

論文通訊作者、中科院雲南天文台閆曉理博士介紹，天文學家利用雲南天文台撫仙湖觀測站“一米新真空太陽望遠鏡”的高時間和空間解析度Hα波段觀測數據，結合太陽動力學天文台觀測的紫外、極紫外和矢量磁場數據，以及日出和地球同步環境監測衛星等空間望遠鏡的X射線數據，詳細研究了發生在2014年10月3日活動區12178中的暗條爆發中的磁重聯過程，發現了在暗條細絲和周圍的色球纖維之間發生了磁重聯，並首次觀測到通過磁重聯把暗條的磁紐纏快速釋放出去的物理過程。

紐纏的磁結構可以形象地比喻成非常纏繞的繩子，如果從繩子兩頭向相反的方向使勁擰繩子，繩子就會越來越纏繞，達到一定程度發生形變，最終導致斷裂，這跟太陽上紐纏磁結構的爆發有點類似。當太陽上磁結構的紐纏達到一定程度時，就會不穩定，開始爆發並釋放出能量。我們的研究就是發現了具有紐纏磁結構的暗條不穩定開始爆發，爆發過程中通過磁重聯把暗條中磁紐纏釋放出去。

想要理解磁重聯事件確切的發生過程，首先必須大致了解一下，不可見的磁拱如何束縛住太陽大氣層中的熾熱氣體。把這樣的氣體稱為“等離子體”（plasma）更為恰當，因為它主要是由相互分離的電子和質子構成，這意味著它是導電的。因此，電場可以推動這些帶電粒子沿著電力線運動，產生電流。磁場也會對這樣的帶電粒子施加作用力，使它們繞著磁力線盤旋。

儘管電子和質子都被迫以這種方式繞著磁力線旋轉，但是它們可以沿著這些磁力線的延伸方向相對自由地移動。我所說的“相對”，是指假如帶電粒子朝著磁力線匯聚的方向運動，就會遭遇一種阻力。舉例來說，從磁拱的頂部下降到底部的過程中，當一個粒子靠近迴路的“足點”（foot point，是指磁力線會聚的地方，那裡的磁場更為強烈），它的速度就會減慢。最終，越來越強的磁場會使這個電子或質子停滯下來，再將它反推回去。這個過程就好像將網球扔向床墊。床墊中的彈簧會阻止網球的下墜，最終將它反彈上去。不過在這個例子中，網球的動能會被暫時地轉移給彈簧，而太陽上的帶電粒子則不同，它們並沒有將自身的能量轉移給磁場。相反，它們向下運動的能量被轉移到盤旋運動上，增加了它們圍繞磁力線旋轉的頻率。通過這種方式，一個磁拱的兩個足點就像反射鏡一樣，將質子和電子來回反射。對帶電粒子來說，磁拱實質上已經成為一個巨大的陷阱。

讓人吃驚的是，等離子體本身也可以對束縛著它的磁場產生影響。因為作為一片帶電粒子的海洋，等離子體可以容納電流。在任何存在電壓差來驅動電流的地方，電流都可以出現。在更為常見的電路中，比如在一個手電筒中，電池提供了驅動電壓。在太陽上，沒有類似電池的東西存在，但是磁場的變化造成了電壓差，由此產生電流（這裡依據的原理，與使發電機運轉的原理相同）。這些電流會產生新的磁場，使事情變得更加複雜。這種效應，再加上磁場足點變換不定的移動趨勢，太陽大氣層中高度扭曲的磁場形成了一整套的變化模式。這些磁場蘊含著可觀的磁場能量，成為太陽耀斑的能量源泉。

到此為止，我們描述的還只是一些基本的物理原理，這是科學家早已了解了幾十年的東西。當有人試圖確切解釋，這些磁場能量如何被轉變為熱能、加速粒子、拋射物質的時候，問題就出現了。一種可能的解釋只是簡單地出於對電路的考慮：任何電路都不能僅由它所攜帶的電流和驅動電荷流動的電壓來描述，它還與其中存在的電阻有關。舉例來說，燈泡中的燈絲為流經的電流提供了電阻，將電能變成光和熱消耗掉。太陽的大氣層也提供了電阻，因為組成電流的帶電粒子有時會相互碰撞，阻礙它們運動，使物體升溫。此外，驅動電流的電壓也擁有一個與之相伴的電場。如果這個電場夠強大，電子和離子就會被加速到某種程度，足以脫離熾熱的等離子體。高溫和高能粒子，這正是太陽耀斑的組成部分。

可惜，這種簡潔的解釋沒能很好地經受住精細的檢查。因為日冕中的電阻通常相當低——低到無法解釋太陽耀斑增亮時的爆發速率。而且，就算電阻較高，所需的磁場能量如何能集中在一個地方，又如何在一場突如其來的爆發中釋放，仍然難以解釋。研究者幾十年前就得出結論：一個可以驅動簡單、孤立電流的電壓，無法足夠迅速地加熱太陽大氣層，或者製造出一個足以形成耀斑的被加速的粒子流。

多年來，空間物理學家提出了各式各樣更為複雜的想法：他們推測，耀斑是許多不同電流匯聚的結果，或是一大團狂暴的等離子體波動和與之相伴的隨機電場的產物。如此特殊的組合也許具備產生耀斑的能力，但這些機制無法解釋所有的觀測數據，尤其是日冕物質拋射的傾向性：它們經常與大耀斑同時出現。一個更有發展前景的理論不僅涉及電場的動力學，還與對應的磁場有關。所以，讓我更詳細地描述一下磁場的物理性質好了。

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