地球和太陽磁場之間相互作用產生的爆炸性風暴會危及太空中的衛星、航天器和宇航員，以及地球上的電網。現在，美國宇航局的宇宙飛船編隊首次直接見證了這些磁爆炸發生的神秘方式。
研究人員說，這項工作可能有助於揭示危險的太陽爆發，並有助於改進先進核反應堆的設計。這項發現是利用NASA的磁層多尺度任務（簡稱MMS）做出的，該任務將四艘宇宙飛船發射到地球的磁層，也就是受地球磁場控制的等離子體氣泡中。
“我們中了大獎，”MMS的副首席研究員羅伊·託伯特在一份宣告中說。“我們能夠在這個環境中進行首次物理實驗。”[美國宇航局的磁層多尺度任務圖片]
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等離子體構成了太陽和恆星，是宇宙中最豐富的普通物質形式，由大致相等數量的正負帶電粒子組成。普通物質，構成人、行星、太陽和恆星的物質，僅佔宇宙物質的六分之一左右，而神秘的暗物質則佔其餘部分。
等離子體通常被強大的磁場線所滲透。當一個磁區遇到另一個磁場線方向不同的磁區時，它們的磁場線會發生衝突、斷裂並相互重新連線，從而以爆炸性的方式將磁能轉化為熱能和動能。例如，當來自太陽的等離子體陣風與地球的磁層碰撞時，就會發生這些遭遇。
馬里蘭大學的研究合著者詹姆斯·德雷克在一份宣告中說：“想象一下，兩列火車在不同的軌道上相向行駛，但在最後一刻，火車被切換到同一軌道上。” “每條軌道代表兩個相互作用的磁場之一的磁力線，而軌道開關代表重聯事件。由此產生的碰撞會像彈弓一樣將能量從重聯點發出。”
磁重聯對地球的影響
磁重聯會對地球產生重大影響。例如，它驅動爆炸性的太陽事件，如太陽耀斑和日冕物質拋射。反過來，這些不僅會產生壯觀的極光，還會產生地磁風暴。1989年，一場地磁風暴導致整個加拿大魁北克省停電，使數百萬人陷入黑暗，並損壞了遠在新澤西州的變壓器。可能會發生比這嚴重 10 倍的風暴，例如1859 年的太陽超級風暴，稱為卡林頓事件。
位於德克薩斯州聖安東尼奧市西南研究所的太空物理學家，該研究的主要作者詹姆斯·伯奇說：“由於重聯驅動了空間天氣，因此更好地瞭解它可能會帶來更好的空間天氣預報。”
磁重聯還可能阻礙旨在重現地球上太陽和恆星動力的實驗性核聚變反應堆。這些反應堆通常試圖利用磁場來約束和加熱等離子體，直至觸發核聚變。“如果能做到這一點，它將永久性地解決能源危機，”伯奇告訴 Space.com。
伯奇解釋說：“阻止磁約束聚變工作的主要因素之一是重聯，它會導致'鋸齒崩潰'——這些是電子溫度的週期性降低，從而使溫度低於聚變觸發點。” “更好地瞭解重聯可能會導致在這些裝置中抑制重聯的方法。” [觀看：NASA 影片解釋磁重聯]
科學家們想精確地找出是什麼觸發了磁重聯，但直到現在，研究人員只是在實驗室裡看到了重聯。MMS是第一個專注於瞭解這種現象如何不僅在地球上，而且在太陽、其他恆星和整個空間中發揮作用的太空任務。
伯奇在一份宣告中說：“我們從理論上研究了它，並用超級計算機對其進行了模擬，但到目前為止，我們還不知道是什麼控制了磁能向粒子能量的轉換。” “我們設計了 MMS 任務，將地球的磁層作為一個巨大的實驗室，對重聯進行最終實驗。”
美國宇航局的MMS衛星四重奏
MMS由四艘相同的太陽能宇宙飛船組成，每艘都配備了一套相同的11種儀器，由25個感測器組成，這些感測器是美國宇航局有史以來飛行過的響應速度最快的感測器。八邊形的3000磅（1360公斤）探測器在近赤道軌道上飛行，彼此之間的距離約為6到250英里（10到400公里）。
磁重聯是一種非常快速的事件，會射出質子和電子。之前的研究分析了磁重聯期間質子的運動，但現在MMS首次捕獲了磁重聯期間電子運動的直接測量結果。
倫敦帝國理工學院的研究合著者喬納森·伊斯特伍德在一份宣告中說：“關於磁重聯中電子的運動，已經有幾十年的理論了，但這是他們所做事情的第一個真正證據。” “我們知道那裡應該有什麼，但是知道和實際測量是兩件非常不同的事情。”
該航天器不僅在微小尺度上檢查了電子運動，而且還以比以前的衛星快得多的速度跟蹤了電子，每 30 毫秒對粒子進行一次成像。
美國宇航局位於馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心的研究合著者湯姆·摩爾在一份宣告中說：“衛星對電子的測量速度太慢，需要 100 倍的速度才能對磁重聯區域進行取樣。” “然而，MMS 的精度和速度為宇宙打開了一個新的視窗。”
德雷克在一份宣告中說：“細節的程度使我們能夠看到以前模糊不清的東西。”
這張美國宇航局的圖表描繪了美國宇航局的四艘磁層多尺度任務航天器以四面體（或類似金字塔）隊形飛行以監測磁重聯事件的情況。
鳴謝：NASA GSFC
磁性“確鑿證據”
2015年10月16日，MMS直接飛過地球磁層中的一個重聯區域的中心。
為了發生重聯，等離子體必須去磁化。此事件的最後關鍵階段發生在稱為電子耗散區域的相對較小的空間中。“航天器直接穿過電子耗散區域，”託伯特在一份宣告中說。
資料顯示，磁場下降到接近零，離子沿相反方向流動，電子加速，強電流和增強的電場——所有跡象都表明航天器已經進入了電子耗散區域，研究人員說。
然而，研究人員說，重聯的關鍵標誌是電子產生的電力中檢測到的尖峰。
伯奇在一份宣告中說：“這是重聯的‘確鑿證據’。” “這在理論上是預測到的，但直到 MMS 才被看到。”
航天器還觀察到電子耗散區域中的電子沿重聯過程中開啟的磁力線快速向外加速。研究人員說，這是由於太陽磁場和地球磁場相互連線造成的，這是科學家首次明確測量到這種事件。
伯奇說：“這些資料確實為宇宙中發生重聯的部分打開了一個新的視窗。” “以前我們有'望遠鏡'來檢視重聯的結果，現在我們有了一個'顯微鏡'，它首次使我們能夠看到重聯的發生過程。”
在磁重聯過程中如何產生電場仍然是一個謎。“有幾種理論，在它們之間進行選擇需要在重聯區域內同時使用所有四艘航天器進行測量，”伯奇說。“到目前為止，我們有三個同時在裡面，第四個稍微晚一點進來。我們計劃將航天器的分離距離從 10 公里 [6.2 英里] 縮短到接近 5 公里 [3.1 英里]，以解決這個問題。”
MMS任務目前處於第一階段，航天器飛過地球白晝側的重聯點，那裡來自太陽的物質與地球磁場相連。
在第二階段，MMS 將穿過地球夜側的重聯點，在那裡，太陽物質可以流向地球磁場的淚滴狀尾部。伊斯特伍德說，預計地球夜側的磁重聯事件會更具爆炸性。
伯奇說：“在尾部，我們應該可以毫無問題地讓所有四艘航天器同時進入重聯區域。”
科學家們於5月12日在《科學》雜誌上線上詳細介紹了他們的發現。
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