誰持“磁”練當空舞
——我國科學家探測太空磁重聯三維幾何結構背後的故事
新華網北京９月５日電(記者吳晶晶、李斌)在浩瀚的太空中，發生著一種十分常見的被科學家稱為“磁重聯”的物理過程，導致了太陽耀斑、極光、磁暴等自然現象的産生。科學家們上個世紀七八十年代就提出了磁重聯的三維理論模型，但至今沒有真正觀測到過。
一個由我國科學家為核心的國際聯合研究團隊通過衛星觀測數據分析，在世界上第一次真實捕捉到了“磁重聯”現象這一太空磁場的“天然舞姿”。
中國雙星探測計劃與歐空局“星簇”計劃的成功對接
隨著人類的空間活動越來越頻繁，國際上對空間天氣的研究出現前所未有的關注。三維空間的磁重聯現象是影響甚至主導諸如天體噴流、太陽耀斑、極光和磁暴等天文和空間現象的重要物理過程，是研究空間天氣的重要基礎課題。
近年來，世界主要國家不惜耗費鉅資，提出和實施一系列空間和地面探測計劃，僅僅發射和計劃發射的空間天氣研究衛星就不下數十顆，建設了多個基於國家或國際合作的重大基礎科學項目和大尺度基礎研究平臺。
伴隨著我國步入空間大國的快速進程及對航天安全保障的新的更高更迫切的要求，在中國科學院空間科學與應用研究中心劉振興院士等的大力推動下，我國實施了第一個空間科學探測計劃——“地球空間雙星探測計劃”，並與歐洲空間局 “星簇”（Cluster）計劃開展了合作，形成人類歷史上第一個對地球空間的六點立體探測體系，其觀測數據和科學成果由雙方共享。
中國科學院國家天文臺副研究員肖池階介紹説：“我們的成果正是星簇計劃四顆間距１０公里至１００００公里、裝備相同探測儀器的衛星提供的觀測數據得出的，這是迄今為止唯一符合三維空間探測要求的衛星觀測手段。”
“雙星計劃的實施和國家自然科學基金的支持提供了國際合作的機遇。”北京大學教授濮祖蔭表示。
在國家自然科學基金重大項目、“９７３”項目、中國科學院創新項目等支持下，科學家們于２００５年底首次觀測到了太空中磁零點的存在。此次三維磁重聯幾何結構的觀測結果更是引起了國際學術界的廣泛關注。
“以前磁重聯的三維幾何結構都是理論上的，這一次我們用衛星把所有結構都探測清楚了。”北京大學教授王曉鋼説。
方法上的突破打開了新發現的“神奇之門”
在濮祖蔭教授的電腦裏，記者看到了海量的數據和紛繁複雜的線條、圖表。要在浩如煙海的衛星觀測資料中找出規律談何容易。
“最初我們完全沒有衛星數據分析的經驗，真正是‘白手起家’，邊學邊做。科學研究的過程也是人才成長的過程。” 濮祖蔭説。
此前，國內外科學家對太陽上磁重聯結構和物理過程的研究一直在進行。國家天文臺研究員汪景?和博士研究生趙輝首次用一種被稱為“龐加萊指數”的幾何方法證明了太陽活動區上空由觀測數據外推的磁場有三維磁零點存在。肖池階等正是得益於這一方法上的突破，使數據分析過程豁然開朗。
“我們抓住了空間中的一個磁重聯事件，並利用“龐加萊指數”的方法證實了磁重聯的三維幾何結構。”肖池階説，“這是學科交叉和團隊協作的成果。”
説起這支團隊，王曉鋼很是感慨：“我們因為對同一個科學問題的共同興趣走到一起，大家都能夠沉下心來做學問，發揮各自特長，齊心協力、團結合作才能取得這樣的成績。”
這只是漫長過程中的一小步
在航天飛行時，大磁暴、高能帶電粒子可能會危及航天器的安全和航天員的健康甚至生命；在地球上，一些劇烈的空間天氣過程甚至會影響短波通信和手機信號……
目前很多國家都在致力於建立空間天氣預報模型，但目前基本處於起步階段。這一研究成果將有助於對磁重聯現象進一步深入理解，使得今後建立空間天氣預報模型能更加準確。
“目前，國內外很多科學家已經開始著手開展三維空間的理論和數值模擬研究。我們一刻也不能懈怠。”濮祖蔭説。
“接下來，我們還將繼續研究磁重聯的物理過程具體是怎樣發生的、到底是電子還是離子在起主導作用等。”王曉鋼説，“這些問題目前國際科學界爭議很大，大家都希望儘快通過實驗研究和衛星觀測得出科學的論斷。”
“我們只是完成了漫長過程中的一小步。”科學家們對此非常清醒。
責編：李星池
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