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凝心聚力、同频共振之相干辐射 精选

已有 3827 次阅读 2019-05-20 21:51 |体系分类:科普集锦

凝心聚力、同频共振之相干辐射

---- 太阳射电爆发的“吴氏”猜想

 

“长期以来我有一个猜想:尽管太阳射电现象出现的范例很多,它咱咱们的基本辐射机制和原理可能只要一个,那便是“回旋脉泽过程”。”

这一句话摘自资深空间等离子体物理学家、华人学者美国马里兰大学荣休传授吴京生老师所撰写的《探究日地空间物理---追忆曩昔的一些研究工作与阅历》。咱咱咱们可以或许或许称之为太阳射电爆发的“吴氏猜想”。

吴氏猜想中所触及或适用的“太阳射电现象”重要是指那些被认定为属于“诱发辐射”的高亮度射电爆发或射电暴。这些事件呈现出突发增强的“超高辐射亮温”。所谓“超高”是指辐射亮温(注:用温度度量)远高于太阳大气自己即辐射源区的热力学温度。太阳大气的热力学温度,平静时在一两百万度,爆发如耀斑时可达一两三千万度,而射电爆发亮温常可达十亿、百亿、千亿度甚至更高。

“亮温”便是将观测到的辐射强度用普朗克黑体辐射公式去拟合所获得的黑体温度,是一等效温度,并非真正的热力学温度。射电辐射“超高亮温”的起源是天文学、空间科学中的一个严重和基本的科学成就。事实上,观测其它天体时,也常会监测到亮温更加“超高”的射电辐射,例如岁首年月报导的重现性疾速射电暴,据说来自15亿光年外的宇宙深处,亮温高达10^37 K!?我作为中青年太阳物理研究职员,只能用“瞠目结舌”来形容这一数字。

太阳上的射电爆发显得温和很多,但其亮温能轻松超出相应热力学温度56个量级。或许发生太阳射电暴的实践也能适用于那些源自遥远天体的超强射电辐射,只是参数条件分歧而已。如许,研究太阳上的成就就可以或许或许为咱咱咱们认知遥远天体上的现象供给借鉴。

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       图为观测到一些太阳射电爆发事件,重要为II型射电暴。摘自Du et al. (2015)。


这自然是很好的。可惜,即便太阳上的射电爆发,目前的认知仍然有限,至少还远未到达让人比较称心的程度。必要指出的是,吴京生老师的猜想并不是一个广被人接受的猜想,因为目前另有一大批太阳物理研究职员相信另外一种辐射机制---等离子体辐射在起着主导感化,尽管这一等离子体辐射机制存有不少缺点,根据吴老师的表述“这(指等离子体辐射机制)是一种猜想。在这种猜想的而引导下,实践工作者提出了多种制的非线性模子,偏向便是想证明这种猜想是对的。令人不解的是,即使屡战屡败,大家还是前赴后继,这在科学史上很少见。”。在辐射机制方面,我本人学习研究尚浅,尚不能充足体会吴老师的说法,但老是觉得吴氏猜想要比目前很多职员所认为的更有道理更有“用武之地”,因此正在与门生咱咱们一路睁开研究。

暂避开吴氏猜想和等离子体辐射猜想的详细细节和原理不谈,回到更粗线条的辐射机制。“超高”亮温就意味着辐射不是源自热辐射(或自发辐射)机制,因为热辐射亮温应低于或在其热力学温度附近。这就意味着辐射很可能是一种诱发辐射或相干辐射。

想必大家对付激光的发生原理不会太陌生。爱因斯坦于1917年提出了受激辐射的概念,当一个光子与处于高能态的粒子感化,在条件合适时会激收回同频同偏向的(相干)光子,与原先的光子一路若再与两个高能态粒子感化,便可以或许获得四个同频同偏向流传的光子,如斯按照“一得二、二得四”的幂次增长上来,只要处于相应高能态的粒子够多(多于处于低能态的),很快会获得一束光强很强的单频激波。这些光子都是相干的,因此受激辐射也称为相干辐射。激光的光强之所以可以或许非常强,便是因为此中的光子同频同向。上面提到一个关键的激光发生条件,便是辐射源中高能态粒子数要超过低能态粒子数,如许光子的发射率要大于相应接收率。这一条件一样平常被称为“粒子数反转”,因为在正常条件下相反的条件是树立的。

容易联想到太阳大气射电爆发,超高的辐射强度也可能是因为相干辐射。不错,这恰是解释一大类太阳射电爆发的机制。太阳大气详细的相干辐射过程或机制与上述激光机理迥然制,但却也有不少相似之处。

太阳大气是一种等离子体,重要成份是电子和质子。射电爆发过程中,必要的是高能量的电子,并不触及到粒子能级的跃迁。质子因为品格远重于电子而电荷从之相等,对应的特征频率远低于电子的特征频率,在能量相其时质子的运动速率也是远比电子低,因此,在通常条件下,太阳射电爆发都是由高能电子所引发的。然而,高能电子自己是高速运动的粒子,从容不行控,又如何能引发犹如激光那样的相干的光子?

这就要讨论等离子体的特性了。高能电子被加快后,注入太阳大气等离子体傍边,就会激提议分歧情势的电磁振荡。这一过程被称为等离子体的动实践不稳固性。不管是吴氏猜想还是等离子体辐射猜想都对应于某种动实践不稳固性过程的引发和演化,只是详细高能电子的环境和不稳固性原理与睁开过程有较大差异。这些高能电子对应于引发不稳固性的“从容能”,是辐射的能源地点。等离子体动实践不稳固性都起始于某种特定的振荡情势(即波)扰动幅度的光阴增长。这些特定的振荡情势具有特定的频率、波长和流传偏向,波的增长率一样平常与高能电子的数目或密度成正比。因此,等离子体颠末过程波动这一小我行为,胜利将看起来从容散乱的高能电子聚集起来,让每个卷入此中的高能电子都能在发生特定的同频同向同波长的波方面做出贡献,如果这些波是可以或许或许向外流传的电磁光波(恰是吴氏猜想中触及到的辐射机制的一种重要表示),那么相当于每个电子都在为发生如许的光子做出贡献,这便是咱咱咱们称这一源自等离子体动实践不稳固性的辐射过程为相干或诱发辐射的原因。

上面所提到等离子体的“小我行为”,是由诸多从容电荷构成的多体系统---等离子体的最为重要的特征,可简略懂得为对付外来的扰动(如注入的高能电子),在电磁场和电荷间的长程多体库仑力感化下,等离子体老是要动员很多很多粒子共同介入对扰动的相应,从而发生向外流传的振荡---波。

上面描述的等离子体相干辐射图景与激光的发生机制,尽管迥然分歧,也有相似之处,这体如今两点。一是等离子体相干辐射的发生必要高能量的电子数目多于相近能量处的低能电子数,也是一种情势的粒子数反转,因为通常环境下,低能电子数是更多的。二是发生的辐射的亮温(对应于光强)非常之高。高的原因,如上所述,恰是因为等离子体颠末过程小我行为,使得每个电子都激收回相同特征的振荡情势----可以或许形象地称这一点为等离子体颠末过程波的引发到达高能电子的“凝心聚力”,从而收回相干辐射。

等离子体中相干辐射的发生,还必要一个条件,便是“同频共振”!

对付这一点,可以或许做如下简略解释。什么样的电子能力引发特定的振荡情势(波),这有着严厉的条件。只要当电子运动对应的Doppler频移量刚好与相应波动的频率相等时,才会发生波的有用引发。否则,波更有可能被电子接收能量而衰减。首先,波的振荡包含着电场的同频振荡,而带电粒子能量的改变即其加快和减速,都是因为波扰动电场(简称波。的感化构成的。波的扰动电场可以或许用正弦或余弦函数情势表示,因此,通常环境下,在正负变更的波场中,电子一会被加快一会被减速,不会与波发生有用的能量交换,因为波不会被引发故电子的平均能量也不会改变。而如果高能电子感遭到的是相位固定的波场,那么电子就可能被持续加快或许减速,从而电子和波发生强烈的互相感化。波场相位的运动速时称为波的相速率,除了流传以外,波场也可能会旋转(对应波的偏振)。因此,要想跟踪到固定相位的波场,电子就必需以相同的流传速率运动、而且以相同偏向和频率去旋转。当这种环境发生时,就称为电子与波发生了“同频”共振。

运的是,在磁场中,高能电子一方面可以或许较为从容地沿着磁场偏向运动(平行运动),另外一方面还会在洛伦兹力感化下绕着磁场以回旋频率旋转(垂直运动)。当电子的平行和垂直运动称心上述共振条件时,便是波粒共振感化的时候。

同频共振条件可以或许或许简略写为下式:

1.png

等式左边为波的频率,右边以此为电子平行运动导致的Doppler频移项和电子回旋运动频率的整数倍。对付n大于1的环境,不太容易直观懂得;对付n= 1的环境,按照上面的说法非常易解,这时电子完全与波场的流传和旋转同步,因而感遭到相位不变的波的电场。实际环境中,电子的速率会有一个散布,会有大行,相应能量会有高有低。当电子能量(速率)略低时,会被波场加快而当电子能量略高时,会被波场减速。因为能量守恒,前一环境下波会失去能量而发生损耗(幅度下降),而后一环境下,波会从电子中获得能量而被激提议来幅度增长而成为可能引发辐射的不稳固性过程。这就简略解释了为什么发生超高亮温太阳射电爆发的等离子体相干辐射必要称心“粒子数反转”条件,也解释了“同频共振”的感化机理。

n大于1时也会发生共振感化,这必要借助高等数学分外函数---Bessel函数能力解释清楚,如果大家有直观的物懂得释请一定奉告我。这里也不再详细演示数学推导,感兴趣的可以或许或许找我要公式推导,几行就够了。

无关射电辐射机制成就,可以或许或许说,成就相对复杂,实践请求较高,研究的门坎不低。因此,尽管我带着门生做了多年的射电辐射研究,却不停没有能涉足到辐射机制物理过程自己难究傍边。然而,作为一个大的科研团组或许作为一个研究群体,科学研究必需要回到原点,从原点动身,才可能做出更有意义的科研工作,对学科的动员性也能力更强。对付天文和空间科学研究而言,科研的动身点或原点在于数据的获得,那么,咱咱咱们就要回到观测数据的获得,把从设备研发与进级换代、数据获得、校准到物理阐发研究这一完备的科研创新链走完,而不能象曩昔很多年那样,网路下载外洋数据再阐发研究到外洋发表(“基础研究两头在外”),使得咱咱咱们老是处于全体空间科学“全球科研创新链”的末端,难以在国际上有好难跤跋旌地位。

“回到科研的动身点”是我国新时代对科研的请求。国内各个团组都这么干了,咱咱咱们国度就能引领相应学科的睁开,就能获得对学科领域的引导地位。当然,这一“引导”偏向不行能“一蹴而就”,恐还需至少十到二十年的耐心睁开和积聚才有可能。让咱咱咱们向等离子体学习,做到“凝心聚力、同频共振”,便可“相干辐射、耀我中华”!



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