世界上最大的湍流模拟揭示了天体物理等离子体中的能量流动

研究人员发现了一个以前隐藏的加热过程，该过程有助于解释被称为“日冕”的太阳周围大气层为何比发射它的太阳表面要热得多。

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的这一发现可能有助于解决一系列天体物理学难题，例如恒星形成、宇宙中大尺度磁场的起源以及预测喷发空间的能力可能会中断手机服务并导致地球上的电网中断的天气事件。了解加热过程对聚变研究也有影响。

第一个清晰的3D解释

PPPL和普林斯顿大学的物理学家ChuanfeiDong说：“我们的直接数值模拟首次在3D空间中提供了这种加热机制的清晰识别，”他通过2亿小时的计算机时间为世界上最大的它的种类。“目前的望远镜和航天器仪器可能没有足够高的分辨率来识别小尺度发生的过程，”董说，他在《科学进展》杂志上详细介绍了这一突破。

隐藏的成分是一种称为磁重联的过程，它分离并剧烈地重新连接等离子体中的磁场，形成太阳大气的电子和原子核汤。董的模拟揭示了磁力线的快速重新连接如何将大规模的湍流能量转变为小规模的内能。结果，湍流能量在小尺度上有效地转化为热能，从而使日冕过热。

“想想在咖啡中加入奶油，”董说。“奶油滴很快变成螺旋状和细长的卷曲。同样，磁场形成薄片电流，由于磁重联而破裂。这个过程促进了能量从大尺度级联到小尺度，使过程更有效率在动荡的日冕中比以前想象的要多。”

他说，当重新连接过程缓慢而湍流级联速度很快时，重新连接不会影响跨尺度的能量转移。但是当重新连接速率变得足够快以超过传统的级联速率时，重新连接可以更有效地将级联移向小尺度。

它通过断开和重新连接磁场线以生成称为等离子团的小扭曲线链来实现这一点。该论文称，这改变了人们对半个多世纪以来被广泛接受的湍流能量级联的理解。这一新发现将能量转移率与等离子体团的生长速度联系起来，增强了能量从大尺度到小尺度的转移，并在这些尺度强烈加热了日冕。

这一新发现展示了一种具有前所未有的大磁雷诺数的状态，就像在日冕中一样。大数字表征了湍流级联的新的高能量传输率。“磁雷诺数越高，重新连接驱动的能量转移就越有效，”即将前往波士顿大学担任教职的董说。

普林斯顿天体物理学教授PPPL物理学家AmitavaBhattacharjee说：“传飞已经在NASA高级超级计算(NAS)设施中进行了世界上同类中最大的湍流模拟，它已经占用了超过2亿个计算机CPU[中央处理器]”监督了这项研究。“这项数值实验首次提供了无可争议的证据，证明了先前未发现的由等离子团生长控制的湍流能量级联范围的理论预测机制。

“他在高影响力期刊ScienceAdvances上发表的论文完成了他从早期发表在PhysicalReviewLetters上的二维结果开始的计算程序。这些论文构成了Chuanfei作为普林斯顿太阳物理学中心成员所做的令人印象深刻的工作的结尾，普林斯顿和PPPL联合设施。我们感谢PPPLLDRD[实验室指导研究与开发]资助促进了这项工作，并感谢NASA高端计算(HEC)计划慷慨分配计算机时间。”

可以使用当前和未来的航天器和望远镜探索这一发现对一系列尺度的天体物理系统的影响。该论文称，解开跨尺度的能量转移过程对于解决关键的宇宙之谜至关重要。