物理学家已经在理论模型之前开发了计算机模型来阐明太阳耀斑的奥秘。



2013年,美国国家航空航天局(NASA)的太阳动力学观测站拍摄到了一张太阳耀斑磁场扭曲和折断的高分辨率图像,目的是将高能物质射入太空。

2013年,美国国家航空航天局(NASA)的太阳动力学观测台拍摄到了一幅太阳耀斑磁场扭曲和断裂的高分辨率图像。这种“重新连接”的过程长期困扰着物理学家。新的超级计算机模拟已经开始揭示这个秘密。
新的超级计算机模拟成功地模拟了一个神秘的过程,据信这个过程会产生一些最炽热、最危险的太阳耀斑,这些耀斑会破坏卫星和电信网络,造成电力中断,并对电网造成严重破坏。研究人员的发现也可能帮助物理学家设计出更高效的核聚变反应堆。

在过去,太阳物理学家在试图理解和预测太阳耀斑和太阳风暴时不得不发挥创造性。很难,说得婉转些,在实验室模拟太阳表面的。这样做会涉及创建然后稠密等离子体包含一个扩展的地区的极高温度(成千上万度至一百万摄氏度)以及强磁场(100特斯拉)。

然而,美国和法国的一组研究人员开发了一种人工智能超级计算机模拟(最初在橡树岭国家实验室最近退役的泰坦机器上运行),成功地模拟了一个产生太阳耀斑的神秘过程的关键部分。上个月,该小组在佛罗里达州劳德代尔堡举行的美国物理学会(APS)等离子体物理分部年会上公布了他们的研究结果。

杰克逊·马托奇(Jackson Matteucci)是该小组的研究人员之一,也是普林斯顿大学(Princeton)等离子体物理学的博士生。他说,日珥中磁场线的扭曲、断裂、合并和重新连接代表了他的团队试图理解的奥秘。
日珥是一缕热等离子体,从太阳表面延伸到它的外层大气,可以持续几天或几个月。所谓的磁重联——发生在太阳耀斑和太阳日珥中——就像从太阳表面发射高能粒子的弹弓。它是地球上最严重的太阳风暴的最终来源。

Matteucci说,他的团队已经模拟了一个在中国进行的实验,并于2010年发表在《自然物理》杂志上。中国的研究人员用高能激光轰击一块铝,并用高速仪器记录下这一事件,捕捉到这种微小的、类似太阳耀斑的爆炸,时间尺度为纳秒。

Matteucci说,中国的研究人员成功地建立了所谓的“快速重联”——一个耀斑在一纳秒或更少的时间里从一个缠绕和扭曲的磁力线上爆炸。从计算机和太阳耀斑的理论模型很难解释快速重联现象。该小组在中国报告的观察结果很难用理论或计算机模型来解释。但是Matteucci的团队在去年发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中成功地模拟了这一结果,并在最近的APS会议上分享了这一结果。

“我们现在能够从头开始模拟(中国的)实验,”Matteucci说。“我们对场的产生进行建模,对场的碰撞进行建模,对重新连接进行建模。我们可以得到一切。”

需要说明的是,Matteucci的团队并没有模拟真正的太阳耀斑。然而,中国的实验捕捉到了模拟耀斑每时每刻的高速粒状数据。因此,Matteucci的团队认为,该小组的研究结果——以及他们自己的模拟——有助于阐明当太阳耀斑从纠缠的日珥上撕下来,并将热等离子体喷射到太空中——在一些罕见但危险的情况下,直接射向地球时,到底发生了什么。

在核聚变反应堆内的等离子体中也会发生快速重连事件,这会破坏聚变等离子体的约束。“它会破坏你的磁场拓扑结构(在融合等离子体中),”Matteucci说。“这是在磁约束聚变的一切。”

能够在超级计算机上模拟这些事件无疑是一大进步。但是模拟并不等同于对过程的理论理解。“分析工作仍在努力解决这个问题,”Matteucci说。

对理论学家来说,下一步将是开发一个太阳物理学家可以用来研究太阳表面和预测太阳耀斑和爆发的框架。

“如果你有一个良好的物理理解,”Matteucci说,“你不需要一直依赖模拟。”

因此,在某种意义上,太阳耀斑的奥秘仍有待解决。但现在,它离简化成一些简单的方程又近了一步,而简化成网格和卫星运算符——非常重要的方程——就在一张纸上。