空间探测器观测和计算机模拟揭示了耀斑爆炸现象。

研究概况

太空中会发生各种各样的爆炸。你可能马上想到的是超新星爆炸。恒星本身发生爆炸，释放出难以想象的能量。然而，这种情况在太阳系附近并不容易发生（尽管如果发生了，那将是一场灾难）。我们更熟悉的爆炸现象是太阳（恒星）耀斑。它很难在可见光下看到，但可以在 X 射线和紫外线下看到快速变亮（爆炸）。在当前太阳活动频繁的时期，月球上出现了 100 多个太阳黑子，在这些太阳黑子的上方也观测到了大规模的耀斑。即使一个小的太阳黑子也有地球那么大。可以想象，当太阳耀斑发生在比地球还大的太阳黑子群的位置时，会产生多大的爆炸（图 1）。

而在更近的地方，地球磁层的极区也能观测到极光爆炸。极光爆炸从地面上看是非常美丽的现象，但它们实际上是爆炸加速粒子从太空涌入极地大气层。这些粒子的加速与地球磁层中磁场的爆炸性能量释放有关。在前面提到的太阳耀斑中，爆炸的能量也是磁场的能量。这些以磁场为能量来源的爆炸现象正是我的研究课题。

研究特色

在地球（行星）的磁层中，磁能爆炸主要发生在两个地方：地球磁场与太阳（太阳风）磁场碰撞的地方（白天）和地球磁场被拉伸并相互碰撞的地方（夜晚）。研究太空等离子体的一大好处是，我们可以把探测器送到实际发生这种现象的地方。我们已经向发生爆炸的地方派出了许多探测器，进行直接观测（图 2）。但是试想一下。即使我们派出多个探测器，这些探测器也只是庞大的磁层空间中的几个点。计算机模拟填补了这些探测器之间的空间。利用航天器的观测数据和在三维空间中再现的模拟数据，就可以研究磁层中发生的爆炸现象。

另一方面，向太阳发射探测器是不可能的。即使你这样做了，它也会很快烧毁。然而，我们可以观察到太阳上发生的全部现象。我们可以看到整个爆炸过程，而在行星磁层中是无法观测到的。此外，通过多种波长同时进行观测，还能提供耀斑时间演变的详细信息（图 3）。不过，能观测到的只是现象的二维投影。毕竟，在三维空间中再现的计算机模拟对太阳耀斑的研究也具有重要意义（图 4）。这样，利用航天器的现场观测、多波长遥感观测和计算机模拟，就可以对看似独立的爆炸现象进行研究。

研究的吸引力

宇宙等离子体爆炸现象也发生在我们日光层和银河系之外。虽然它们发生在不同的空间和能量尺度上，但其基本物理现象被认为是相同的。利用内太阳包层作为一个大型实验室，我们就有可能研究发生在整个宇宙不同位置的爆炸现象。我们可以利用多个航天器的形成观测、多波长高灵敏度望远镜的观测以及计算速度大幅提高的超级计算机进行尖端研究。没有一种爆炸现象是完全相同的。从中产生的新结构和意想不到的现象激励着我们不断前进。

前景

太阳耀斑不仅仅是爆炸。大规模耀斑散布的高能辐射会扰乱我们的太空活动。从太阳喷射出的等离子体以强大的磁场攻击地球磁场。这会引起全球磁暴，摧毁卫星，在地面上，巨大的电流冲击发电站，造成大面积停电。然而，就像预报台风一样，人们也在尝试预报太空中的这些现象，以尽可能减少其影响（称为太空天气）。其目的不仅在于了解爆炸现象的物理原理，还在于预测耀斑，以提高预报的准确性。

给想从事这项研究的人的信息

能够使用多种研究工具意味着必须能够掌握这些工具。这不是一朝一夕就能掌握的。只有在综合知识的基础上才能使用这些工具，而综合知识是建立在从小学习的学术技能之上的。请记住，你现在所学的知识是下一步的基础，只有这样，你才能进行创造性思维。尤其是航天领域，是一个需要广泛知识基础的领域。你永远不知道哪些知识会打开通往新世界的大门。在这个新问题层出不穷的世界里，试着挑战自己。