等离子体

释放双眼,带上耳机,听听看~!
选自“牧夫天文”

概念图

 

等离子体存在于各种各样的天体中。等离子体的加热过程至今为止还是个谜。科学家利用以日本国立天文台的“阿弖(hù)流为2号”( Ateli II)”为主的超级计算机进行了大规模的模拟及运算,首次模拟出了等离子体的加热过程。

从太阳吹出的太阳风和围绕着黑洞的吸积盘,是由带正电的离子和带负电的电子形成的等离子体构成的。宇宙中存在的等离子体高温且稀薄,处于几乎不会发生离子和电子碰撞的“无碰撞”状态。因此,离子和电子不直接发生相互作用并可在不同的温度下存在。实际上,从太阳风的观测和吸积盘的理论模型可以看出,等离子体中的离子比电子温度要高得多。但是,为什么离子会比电子温度高,这是科学家们多年来未能解决的问题。

为了解决这个问题,需要通过计算机模拟再现无碰撞等离子体的湍流,计算离子和电子如何被湍流加热。在等离子的湍流中,存在像声波一样的纵波波动, 也存在着像通过绳索传递的波浪一样的横波波动。由于难以同时计算两者,所以至今为止的研究中,只考虑了横波波动来计算。但是,这样的计算并不一定能说明离子高温的原因。 

以东北大学学际科学前沿研究所的川端洋平副教授,中心的国际研究小组,着眼于波动中缓慢变动的现象,尝试利用“陀螺仪运动论”来减少计算量。通过使用以“阿弖流为2号( Ateli II)”为首的多台超级计算机进行大规模计算,首次成功模拟实现了包括纵波波动在内的无碰撞等离子体湍流。模拟结果显示,等离子体中的离子选择性地吸收纵波波动的能量,导致其比电子温度更高。这是一次具有突破性的研究。

根据这个发现,可以解释在各种各样的天体现象中,离子比电子更高温的事实。并且,此次研究成果还有助于提高2019年事件视界望远镜项目公开的黑洞影像拍摄结果的解析精度。

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