空間探測器觀測和計算機類比揭示的耀斑爆炸現象

研究大綱

太空中正在發生各種爆炸。 首先想到的是超新星爆炸。 由於恆星本身的爆炸，釋放出難以想像的能量。 然而，在我們的太陽系附近，它不會那麼容易發生（儘管如果發生這種情況會很困難…… 一種更熟悉的爆炸現象是太陽（恆星）耀斑。 在可見光下很難看到，但在X射線和紫外線下可以看到突然變亮（爆炸）。 我們現在正在進入一個太陽活動頻繁的時期，每個月都會出現100多個太陽黑子，並且在這些太陽黑子上方觀察到了大規模的耀斑。 即使是小的太陽黑子也有地球那麼大。 你可以想像，在一個太陽黑子比地球大小大的地方，太陽耀斑會有多大（圖1）。

在離家更近的地方，在地球的磁層極地地區觀察到極光爆炸。 北極光爆炸從地面看是一個非常美麗的現象，但實際上，爆炸加速的粒子從太空落入極地大氣層。 這種粒子的加速度與地球磁層中地球磁場能量的爆炸性釋放有關。 而我前面提到的太陽耀斑爆炸的能量就是磁場的能量。 使用這些磁場作為能源的爆炸現象是我研究的主題。

研究的特點

在地球（行星）的磁層中，磁能主要有兩種爆炸：地球磁場和太陽（太陽風）磁場碰撞的地方（白天），地球磁場相互碰撞的地方（夜側）地球磁場延伸的地方。 研究空間等離子體的一大好處是，它使我們能夠將航太器送到實際發生現象的地方。 我們已將許多航太器送往爆炸發生地點並進行了直接觀測（圖2）。 但想像一下。 即使發送多個探測器，航太器也只是寬磁層空間中的幾個點。 計算機類比填補了這些航太器之間的空間。 利用航太器獲得的觀測數據和在三維空間中再現的模擬數據，可以研究磁層中發生的爆炸現象。

另一方面，我們不能向太陽發送探測器。 即使你把它送進去，它也會立即被燒毀。 然而，太陽上發生的現象可以完整地觀察到。 我們可以看到在行星磁層中無法觀察到的爆炸的全貌。 此外，在多個波長下同時觀測可以詳細瞭解耀斑的時間演變（圖3）。 然而，只能觀察到的是二維投影現象。 在三維空間中再現的計算機類比在太陽耀斑研究中也具有重要意義（圖4）。 通過這種方式，我們正在研究使用航太器的原位觀測、多波長遠端觀測和計算機類比似乎是分開的爆炸現象。

研究的吸引力

宇宙等離子體爆炸是發生在我們日光層和銀河系之外的現象。 它的空間和能量尺度很廣，但其潛在的物理現象被認為是相同的。 使用日光層作為大型實驗室，我們可以研究發生在宇宙各個地方的爆炸。 此外，通過充分利用多個航太器的編隊觀測、多波長高靈敏度望遠鏡的觀測和計算速度大幅提高的超級計算機，可以進行前沿研究。 沒有兩次爆炸是完全相同的。 新的結構和由此產生的意想不到的現象驅使我們前進。

未來展望

太陽耀斑不僅僅是爆炸。 大規模耀斑會散射高能輻射，干擾我們的太空活動。 太陽發出的等離子體伴隨著強大的磁場，撞擊地球磁場。 這會導致地球磁暴，摧毀衛星，並在大規模電流擊中發電廠時導致地面大規模停電。 然而，正如預測颱風一樣，人們也在嘗試預測這些現象在太空中，以盡可能減少其影響（稱為太空天氣）。 除了對爆炸現象進行物理闡釋外，我們還旨在預測耀斑，以提高預報的準確性。

給那些希望做這項研究的人的資訊

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