地球和太阳磁场之间相互作用产生的爆炸性风暴会危及太空中的卫星、航天器和宇航员，以及地球上的电网。现在，美国宇航局的宇宙飞船编队首次直接见证了这些磁爆炸发生的神秘方式。
研究人员说，这项工作可能有助于揭示危险的太阳爆发，并有助于改进先进核反应堆的设计。这项发现是利用NASA的磁层多尺度任务（简称MMS）做出的，该任务将四艘宇宙飞船发射到地球的磁层，也就是受地球磁场控制的等离子体气泡中。
“我们中了大奖，”MMS的副首席研究员罗伊·托伯特在一份声明中说。“我们能够在这个环境中进行首次物理实验。”[美国宇航局的磁层多尺度任务图片]
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等离子体构成了太阳和恒星，是宇宙中最丰富的普通物质形式，由大致相等数量的正负带电粒子组成。普通物质，构成人、行星、太阳和恒星的物质，仅占宇宙物质的六分之一左右，而神秘的暗物质则占其余部分。
等离子体通常被强大的磁场线所渗透。当一个磁区遇到另一个磁场线方向不同的磁区时，它们的磁场线会发生冲突、断裂并相互重新连接，从而以爆炸性的方式将磁能转化为热能和动能。例如，当来自太阳的等离子体阵风与地球的磁层碰撞时，就会发生这些遭遇。
马里兰大学的研究合著者詹姆斯·德雷克在一份声明中说：“想象一下，两列火车在不同的轨道上相向行驶，但在最后一刻，火车被切换到同一轨道上。” “每条轨道代表两个相互作用的磁场之一的磁力线，而轨道开关代表重联事件。由此产生的碰撞会像弹弓一样将能量从重联点发出。”
磁重联对地球的影响
磁重联会对地球产生重大影响。例如，它驱动爆炸性的太阳事件，如太阳耀斑和日冕物质抛射。反过来，这些不仅会产生壮观的极光，还会产生地磁风暴。1989年，一场地磁风暴导致整个加拿大魁北克省停电，使数百万人陷入黑暗，并损坏了远在新泽西州的变压器。可能会发生比这严重 10 倍的风暴，例如1859 年的太阳超级风暴，称为卡林顿事件。
位于德克萨斯州圣安东尼奥市西南研究所的太空物理学家，该研究的主要作者詹姆斯·伯奇说：“由于重联驱动了空间天气，因此更好地了解它可能会带来更好的空间天气预报。”
磁重联还可能阻碍旨在重现地球上太阳和恒星动力的实验性核聚变反应堆。这些反应堆通常试图利用磁场来约束和加热等离子体，直至触发核聚变。“如果能做到这一点，它将永久性地解决能源危机，”伯奇告诉 Space.com。
伯奇解释说：“阻止磁约束聚变工作的主要因素之一是重联，它会导致'锯齿崩溃'——这些是电子温度的周期性降低，从而使温度低于聚变触发点。” “更好地了解重联可能会导致在这些设备中抑制重联的方法。” [观看：NASA 视频解释磁重联]
科学家们想精确地找出是什么触发了磁重联，但直到现在，研究人员只是在实验室里看到了重联。MMS是第一个专注于了解这种现象如何不仅在地球上，而且在太阳、其他恒星和整个空间中发挥作用的太空任务。
伯奇在一份声明中说：“我们从理论上研究了它，并用超级计算机对其进行了模拟，但到目前为止，我们还不知道是什么控制了磁能向粒子能量的转换。” “我们设计了 MMS 任务，将地球的磁层作为一个巨大的实验室，对重联进行最终实验。”
美国宇航局的MMS卫星四重奏
MMS由四艘相同的太阳能宇宙飞船组成，每艘都配备了一套相同的11种仪器，由25个传感器组成，这些传感器是美国宇航局有史以来飞行过的响应速度最快的传感器。八边形的3000磅（1360公斤）探测器在近赤道轨道上飞行，彼此之间的距离约为6到250英里（10到400公里）。
磁重联是一种非常快速的事件，会射出质子和电子。之前的研究分析了磁重联期间质子的运动，但现在MMS首次捕获了磁重联期间电子运动的直接测量结果。
伦敦帝国理工学院的研究合著者乔纳森·伊斯特伍德在一份声明中说：“关于磁重联中电子的运动，已经有几十年的理论了，但这是他们所做事情的第一个真正证据。” “我们知道那里应该有什么，但是知道和实际测量是两件非常不同的事情。”
该航天器不仅在微小尺度上检查了电子运动，而且还以比以前的卫星快得多的速度跟踪了电子，每 30 毫秒对粒子进行一次成像。
美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的研究合著者汤姆·摩尔在一份声明中说：“卫星对电子的测量速度太慢，需要 100 倍的速度才能对磁重联区域进行采样。” “然而，MMS 的精度和速度为宇宙打开了一个新的窗口。”
德雷克在一份声明中说：“细节的程度使我们能够看到以前模糊不清的东西。”
这张美国宇航局的图表描绘了美国宇航局的四艘磁层多尺度任务航天器以四面体（或类似金字塔）队形飞行以监测磁重联事件的情况。
鸣谢：NASA GSFC
磁性“确凿证据”
2015年10月16日，MMS直接飞过地球磁层中的一个重联区域的中心。
为了发生重联，等离子体必须去磁化。此事件的最后关键阶段发生在称为电子耗散区域的相对较小的空间中。“航天器直接穿过电子耗散区域，”托伯特在一份声明中说。
数据显示，磁场下降到接近零，离子沿相反方向流动，电子加速，强电流和增强的电场——所有迹象都表明航天器已经进入了电子耗散区域，研究人员说。
然而，研究人员说，重联的关键标志是电子产生的电力中检测到的尖峰。
伯奇在一份声明中说：“这是重联的‘确凿证据’。” “这在理论上是预测到的，但直到 MMS 才被看到。”
航天器还观察到电子耗散区域中的电子沿重联过程中打开的磁力线快速向外加速。研究人员说，这是由于太阳磁场和地球磁场相互连接造成的，这是科学家首次明确测量到这种事件。
伯奇说：“这些数据确实为宇宙中发生重联的部分打开了一个新的窗口。” “以前我们有'望远镜'来查看重联的结果，现在我们有了一个'显微镜'，它首次使我们能够看到重联的发生过程。”
在磁重联过程中如何产生电场仍然是一个谜。“有几种理论，在它们之间进行选择需要在重联区域内同时使用所有四艘航天器进行测量，”伯奇说。“到目前为止，我们有三个同时在里面，第四个稍微晚一点进来。我们计划将航天器的分离距离从 10 公里 [6.2 英里] 缩短到接近 5 公里 [3.1 英里]，以解决这个问题。”
MMS任务目前处于第一阶段，航天器飞过地球白昼侧的重联点，那里来自太阳的物质与地球磁场相连。
在第二阶段，MMS 将穿过地球夜侧的重联点，在那里，太阳物质可以流向地球磁场的泪滴状尾部。伊斯特伍德说，预计地球夜侧的磁重联事件会更具爆炸性。
伯奇说：“在尾部，我们应该可以毫无问题地让所有四艘航天器同时进入重联区域。”
科学家们于5月12日在《科学》杂志上在线详细介绍了他们的发现。
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