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。相關成果在線發表于《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。

基于地球磁層多尺度衛星(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。在處于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），并在分布函數上呈現冪律譜分布。冪律分布是指某個具有分布性質的變量，且其分布密度函數是冪函數的分布。

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，并產生高能電子。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，廣泛存在于空間等離子環境中。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，并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。

利用高時空分辨率、高精度的衛星數據，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，而且衛星穿越了重聯的擴散區。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。這些不同強度，不同尺度的電流絲 在擴散區內沿著各個方向延伸（主要為x和y方向），并相互交織，形成了一個三維的網狀電流體系，即該擴散區處于湍流狀態。