得不到的永遠在騷動，被偏愛的在溫度上升

2020-12-24 牧夫天文

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編譯：五車二三三三

校譯：甘林

編排：觀夜

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤

原文連結：

https://www.nao.ac.jp/news/science/2020/20201215-cfca.html

2020年12月15日 研究成果

此項研究的概念圖。太陽風和黑洞周邊的吸積盤中，構成等離子體的離子和電子形成湍流並被加熱

等離子體存在於各種各樣的天體中。等離子體的加熱過程至今為止還是個謎。科學家利用以日本國立天文臺的「阿弖（hù）流為2號」（ Ateli II）」為主的超級計算機進行了大規模的模擬及運算，首次模擬出了等離子體的加熱過程。

從太陽吹出的太陽風和圍繞著黑洞的吸積盤，是由帶正電的離子和帶負電的電子形成的等離子體構成的。宇宙中存在的等離子體高溫且稀薄，處於幾乎不會發生離子和電子碰撞的「無碰撞」狀態。因此，離子和電子不直接發生相互作用並可在不同的溫度下存在。實際上，從太陽風的觀測和吸積盤的理論模型可以看出，等離子體中的離子比電子溫度要高得多。但是，為什麼離子會比電子溫度高，這是科學家們多年來未能解決的問題。

為了解決這個問題，需要通過計算機模擬再現無碰撞等離子體的湍流，計算離子和電子如何被湍流加熱。在等離子的湍流中，存在像聲波一樣的縱波波動， 也存在著像通過繩索傳遞的波浪一樣的橫波波動。由於難以同時計算兩者，所以至今為止的研究中，只考慮了橫波波動來計算。但是，這樣的計算並不一定能說明離子高溫的原因。

以東北大學學際科學前沿研究所的川端洋平副教授為中心的國際研究小組，著眼於波動中緩慢變動的現象，嘗試利用「陀螺儀運動論」來減少計算量。通過使用以「阿弖流為2號（ Ateli II）」為首的多臺超級計算機進行大規模計算，首次成功模擬實現了包括縱波波動在內的無碰撞等離子體湍流。模擬結果顯示，等離子體中的離子選擇性地吸收縱波波動的能量，導致其比電子溫度更高。這是一次具有突破性的研究。

根據這個發現，可以解釋在各種各樣的天體現象中，離子比電子更高溫的事實。並且，此次研究成果還有助於提高2019年事件視界望遠鏡項目公開的黑洞影像拍攝結果的解析精度。

這一研究成果以《Y. Kawazura et al. 「Ion versus Electron Heating in Compressively Driven Astrophysical Gyrokinetic Turbulence」》為題目，於2020年12月11日刊登在美國物理學專業雜誌《Physical Review x》中。

責任編輯：王雨陽

牧夫新媒體編輯部

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冬至：獻上一年的日出

圖像來源: Zaid M. Al-Abbadi

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