离子比电子更高温的研究取得进展学术资讯

等离子体存在于各种各样的天体中。等离子体的加热过程至今为止还是个谜。科学家利用以日本国立天文台的“阿弖（hù）流为2号”（ Ateli II）”为主的超级计算机进行了大规模的模拟及运算，首次模拟出了等离子体的加热过程。

从太阳吹出的太阳风和围绕着黑洞的吸积盘，是由带正电的离子和带负电的电子形成的等离子体构成的。宇宙中存在的等离子体高温且稀薄，处于几乎不会发生离子和电子碰撞的“无碰撞”状态。因此，离子和电子不直接发生相互作用并可在不同的温度下存在。实际上，从太阳风的观测和吸积盘的理论模型可以看出，等离子体中的离子比电子温度要高得多。但是，为什么离子会比电子温度高，这是科学家们多年来未能解决的问题。

为了解决这个问题，需要通过计算机模拟再现无碰撞等离子体的湍流，计算离子和电子如何被湍流加热。在等离子的湍流中，存在像声波一样的纵波波动，也存在着像通过绳索传递的波浪一样的横波波动。由于难以同时计算两者，所以至今为止的研究中，只考虑了横波波动来计算。但是，这样的计算并不一定能说明离子高温的原因。

以东北大学学际科学前沿研究所的川端洋平副教授为中心的国际研究小组，着眼于波动中缓慢变动的现象，尝试利用“陀螺仪运动论”来减少计算量。通过使用以“阿弖流为2号（ Ateli II）”为首的多台超级计算机进行大规模计算，首次成功模拟实现了包括纵波波动在内的无碰撞等离子体湍流。模拟结果显示，等离子体中的离子选择性地吸收纵波波动的能量，导致其比电子温度更高。这是一次具有突破性的研究。

根据这个发现，可以解释在各种各样的天体现象中，离子比电子更高温的事实。并且，此次研究成果还有助于提高2019年事件视界望远镜项目公开的黑洞影像拍摄结果的解析精度。

这一研究成果以《Y. Kawazura et al. “Ion versus Electron Heating in Compressively Driven Astrophysical Gyrokinetic Turbulence”》为题目，于2020年12月11日刊登在美国物理学专业杂志《Physical Review x》中。

来源：astronomycn 牧夫天文

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