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中国科学家揭示太空三维磁重联的几何结构
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中国科学家揭示太空三维磁重联的几何结构 ——Nature Physics再次发表国家天文台与北京大学等最新合作成果 以中国科学院国家天文台肖池阶副研究员、北京大学王晓钢教授、濮祖荫教授等为主的研究小组，继去年首次发现了自然界中存在磁场零点(Nature Physics 2 (7), 478-483, 2006)之后，最近又合作完成了三维磁重联完整几何结构的卫星观测研究。这一成果即将发表在国际权威科学刊物Nature Physics上(2007年6月24日网络版提前发表)，并被列为“亮点”(Highlights)之一，称这一工作“朝着(太空)天体等离子体中的三维磁重联的完整图像更前进了一步”(complete 3D picture of the process of magnetic reconnection in astrophysical plasmas comes a step closer)。Nature、Nature China等网站都将该文选为最新的重要文章(Featured articles)。 三维空间的磁重联是影响、甚至主导诸如天体演化、极光和磁层空间暴、太阳耀斑、日冕加热、日冕物质抛射等空间天文现象的重要物理过程，而其拓扑位形是三维磁重联理论的基石。三维磁重联的完整几何结构由一对收敛性质相反的磁零点、连接它们的磁分形线，以及它们所生成的两个磁分形面构成。如果说，在茫茫宇宙中发现磁零点是大海捞针，那么对三维磁重联完整几何结构的卫星探测就更加困难(J. M. Finn, Nature Physics 2 (7), 445-446, 2006)。磁重联的三维结构要求至少空间四点的同时测量。欧洲空间局Cluster星座计划提供了迄今为止唯一的卫星观测手段。该计划由间距10－10000公里、装备相同探测仪器的四颗卫星组成，主要目的是探测地球磁层中的小尺度时空结构。基于Cluster卫星在地球磁尾的探测数据，这一研究小组在磁重联区找到匹配的磁零点对，计算出零点连线(磁分形线)的长度，确定了所产生的磁场的拓扑分形面(图一)；并发现在零点连线附近存在低杂波频率的电磁振荡，这对磁重联过程中可能的电子加速、加热机制提供了观测基础。 因此这一工作刚一发表，就引起了国际学术界的广泛关注。欧洲空间局的官方网站把这一成果作为“头条新闻”发布，称这是一个由中国科学家领导的国际团队(an international team of scientists led byinese researchers)得到的先驱性发现(a pioneering discovery)，指出这一成果“揭示了前所未见的三维磁场的‘天然舞姿’”(the first-ever evidence in 3D for natural magnetic“dances”；这里“dances”是双关语，因为Cluster星座计划的四颗卫星的昵称依次为“莎莎、探戈、伦巴和桑巴”(Salsa, Tango, Rumba, Samba)，且这一工作的主要发现之一是观测到磁零点的周期性跳动)。 欧洲空间局Cluster项目科学家指出：“这一结果是Cluster项目的又一重要成果，归功于中国、美国和欧洲科学家之间富有成果的合作”(This result is another major scientific achievement of the Cluster mission obtained owing to fruitful scientific collaborations between Chinese, American and European scientists)。欧洲物理学会前任主席Martin Huber教授来信说，“这一工作确实是朝着(确立)三维磁重联观测基础的重要进展”(This is, indeed, an important further step towards an observational framework of 3D-reconnection)。 肖池阶副研究员、王晓钢教授和濮祖荫教授为这一文章的共同第一作者、中国双星—Cluster科学工作队成员，王晓钢教授的前期工作是在大连理工大学完成的。主要作者还有浙江大学马志为教授、中国科学院国家天文台博士生赵辉、周桂萍副研究员、汪景？研究员等。其他合作者来自北京大学、中国科学院空间科学与应用研究中心，以及欧美国家的一些大学和研究所。这一工作得到了《国家地球空间双星探测计划》、国家自然科学基金重大项目《地球空间暴多时空尺度物理过程》、科技部重点基础研究计划(973)项目、以及中国科学院方向性创新项目的支持。 |
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