研究人員發現了一個以前未知的加熱機制，解釋了為什麼”日冕”，即圍繞太陽的大氣層，比發射它的太陽表面熱得多。美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的這一發現有可能幫助解決幾個天體物理學之謎，包括恆星的形成，宇宙中大規模磁場的來源，以及預測可能導致地球上手機中斷和電網故障的太空天氣事件。了解加熱過程對聚變能源研究也有重大意義。

首次清晰的三維解釋

“我們的直接數值模擬是第一次在三維空間中明確識別這種加熱機制，”PPPL和普林斯頓大學的物理學家董傳飛說，他通過為世界上最大的此類模擬進行2億小時的計算機時間來揭開這一過程。”目前的望遠鏡和航天器儀器可能沒有足夠高的分辨率來識別在小尺度上發生的過程，”他在《科學進展》雜誌上詳細介紹了這一突破。

隱藏的成分是一個叫做磁重聯的過程，它分離並猛烈地重新連接等離子體中的磁場，等離子體是由電子和原子核組成的湯，形成太陽大氣。模擬揭示了磁場線的快速重聯如何將大規模的湍流能量轉化為小規模的內部能量。因此，湍流能量在小尺度上被有效地轉化為熱能，從而使日冕變得更熱。

“想想把奶油放在咖啡裡，”董說。”奶油滴很快就會變成輪狀和細長的捲曲。同樣地，磁場形成薄薄的電流片由於磁重聯而破裂。這個過程促進了從大規模到小規模的能量級聯，使這個過程在湍流的日冕中比以前認為的更有效。”

當重聯過程緩慢而湍流級聯快速時，重聯不能影響能量的跨尺度轉移。但是當重聯速度變得足夠快，超過傳統的級聯速度時，重聯可以更有效地將級聯推向小尺度。

論文認為，通過打破和重合磁場線產生了被稱為等離子體的小型扭曲線鏈，新的發現將能量轉移率與等離子體的增長速度聯繫起來，加強了能量從大尺度到小尺度的轉移，並在這些尺度上強烈加熱電暈，這改變了半個多世紀以來被廣泛接受的對湍流能量級聯的理解。

新發現展示了一個像日冕中那樣具有空前大的磁雷諾數的形態，這個大數字表徵了湍流級聯的新的高能量轉移率。磁雷諾數越高，重聯驅動的能量轉移就越有效。

2億個小時

在美國宇航局高級超級計算（NAS）設施中，董傳飛進行了世界上最大的同類湍流模擬，花費了超過2億小時計算機CPU的運算時間。PPPL物理學家，普林斯頓大學的天體物理學教授Amitava Bhattacharjee介紹說，這項數值實驗首次產生了無可爭議的證據，證明了理論上預測的由等離子體生長控制的湍流能量級聯範圍的機制。

“他在高影響力雜誌《科學進展》上的論文完成了他在《物理評論快報》上發表的早期二維結果所開始的計算程序。這些論文構成了傳飛作為普林斯頓太陽物理中心成員所做的令人印象深刻的工作的尾聲，我們感謝PPPL LDRD[實驗室定向研究與開發]撥款促進了這項工作，並感謝NASA高端計算（HEC）計劃慷慨地分配了計算機時間。”

這一發現在天體物理系統中的影響跨越了一系列的尺度，可以用目前和未來的航天器和望遠鏡進行探索。論文說，解開跨尺度的能量轉移過程將是解決關鍵的宇宙之謎的關鍵。

該研究由美國能源部科學辦公室（FES）和NASA資助，計算機資源由NASA HEC與國家能源研究科學計算中心（DOE科學辦公室的一個用戶設施）和NSF贊助的計算和信息系統實驗室一起提供。