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凝心聚力、同频共振之相干辐射 精选

已有 9351 次阅读 2019-5-10 21:51 |系统分类: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类型很多,它们的基本辐射机制和原理可能只有一个,那就是“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教授吴京生先生所撰写的《探索日地空间物理---追忆过去的一些研究工作与经历》。我们可以称之为太阳射电爆发的“吴氏猜想”。

吴氏猜想中所涉及或适用的“太阳射电现象”主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)远高于太阳大气本身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”就是将观测到的辐射强度用普朗克黑体辐射公式去拟合所得到的黑体温度,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、空间科学中的一个重大和基本的科学问题。事实上,观测其它天体时,也常会监测到亮温更为“超高”的射电辐射,例如年初报道的重现性快速射电暴,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人员,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许多,但其亮温能轻松超越相应热力学温度56个量级。或许产生太阳射电暴的理论也能适用于那些源自遥远天体的超强射电辐射,只是参数条件不同而已。这样,研究太阳上的问题就可以为我们认知遥远天体上的现象提供借鉴。

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       图为观测到一些太阳射电爆发事件,主要为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,至少还远未达到让人比较满意的程度。需要指出的是,吴京生先生的猜想并不是一个广被人接受的猜想,因为目前还有一大批太阳物理研究人员相信另外一种辐射机制---等离子体辐射在起着主导作用,尽管这一等离子体辐射机制存有不少缺陷,根据吴先生的表述“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,理论工作者提出了多种不同的非线性模型,目的就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,尚不能充分体会吴先生的说法,但总是觉得吴氏猜想要比目前许多人员所认为的更有道理更有“用武之地”,因此正在与学生们一起开展研究。

暂避开吴氏猜想和等离子体辐射猜想的具体细节和原理不谈,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。

想必大家对于激光的产生原理不会太陌生。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作用,在条件合适时会激发出同频同方向的(相干)光子,与原先的光子一起若再与两个高能态粒子作用,便可以得到四个同频同方向传播的光子,如此按照“一得二、二得四”的幂次增加下去,只要处于相应高能态的粒子够多(多于处于低能态的),很快会得到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非常强,就是因为其中的光子同频同向。上面提到一个关键的激光产生条件,就是辐射源中高能态粒子数要超过低能态粒子数,这样光子的发射率要大于相应吸收率。这一条件一般被称为“粒子数反转”,因为在正常条件下相反的条件是成立的。

容易联想到太阳大气射电爆发,超高的辐射强度也可能是由于相干辐射。不错,这正是解释一大类太阳射电爆发的机制。太阳大气具体的相干辐射过程或机制与上述激光机理迥然不同,但却也有不少相似之处。

太阳大气是一种等离子体,主要成份是电子和质子。射电爆发过程中,需要的是高能量的电子,并不涉及到粒子能级的跃迁。质子由于质量远重于电子而电荷却与之相等,对应的特征频率远低于电子的特征频率,在能量相当时质子的运动速度也是远比电子低,因此,在通常条件下,太阳射电爆发都是由高能电子所激发的。然而,高能电子本身是高速运动的粒子,自由不可控,又如何能激发如同激光那样的相干的光子?

这就要讨论等离子体的特性了。高能电子被加速后,注入太阳大气等离子体之中,就会激发起不同模式的电磁振荡。这一过程被称为等离子体的动理论不稳定性。不管是吴氏猜想还是等离子体辐射猜想都对应于某种动理论不稳定性过程的激发和演化,只是具体高能电子的情况和不稳定性原理与发展过程有较大差异。这些高能电子对应于激发不稳定性的“自由能”,是辐射的能源所在。等离子体动理论不稳定性都起始于某种特定的振荡模式(即波)扰动幅度的时间增长。这些特定的振荡模式具有特定的频率、波长和传播方向,波的增长率一般与高能电子的数量或密度成正比。因此,等离子体通过波动这一集体行为,成功将看起来自由散乱的高能电子集合起来,让每一个卷入其中的高能电子都能在产生特定的同频同向同波长的波方面做出贡献,如果这些波是可以向外传播的电磁光波(正是吴氏猜想中涉及到的辐射机制的一种主要表现),那么相当于每个电子都在为产生这样的光子做出贡献,这就是我们称这一源自等离子体动理论不稳定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“集体行为”,是由诸多自由电荷构成的多体系统---等离子体的最为主要的特征,可简单理解为对于外来的扰动(如注入的高能电子),在电磁场和电荷间的长程多体库仑力作用下,等离子体总是要动员许多许多粒子共同参与对扰动的响应,从而产生向外传播的振荡---波。

上面描述的等离子体相干辐射图景与激光的产生机制,尽管迥然不同,也有相似之处,这体现在两点。一是等离子体相干辐射的产生需要高能量的电子数目多于相近能量处的低能电子数,也是一种形式的粒子数反转,因为通常情况下,低能电子数是更多的。二是产生的辐射的亮温(对应于光强)非常之高。高的原因,如上所述,正是由于等离子体通过集体行为,使得每个电子都激发出相同特征的振荡模式----可以形象地称这一点为等离子体通过波的激发达到高能电子的“凝心聚力”,从而发出相干辐射。

等离子体中相干辐射的产生,还需要一个条件,就是“同频共振”!

对于这一点,可以做如下简单解释。什么样的电子才能激发特定的振荡模式(波),这有着严格的条件。只有当电子运动对应的Doppler频移量刚好与相应波动的频率相等时,才会发生波的有效激发。否则,波更有可能被电子吸收能量而衰减。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速和减速,都是由于波扰动电场(简称波场)的作用造成的。波的扰动电场可以用正弦或余弦函数形式表示,因此,通常情况下,在正负变化的波场中,电子一会被加速一会被减速,不会与波发生有效的能量交换,因为波不会被激发故电子的平均能量也不会改变。而如果高能电子感受到的是相位固定的波场,那么电子就可能被持续加速或者减速,从而电子和波发生强烈的相互作用。波场相位的运动速度被称为波的相速度,除了传播以外,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,电子就必须以相同的传播速度运动、而且以相同方向和频率去旋转。当这种情况发生时,就称为电子与波发生了“同频”共振。

幸运的是,在磁场中,高能电子一方面可以较为自由地沿着磁场方向运动(平行运动),另一方面还会在洛伦兹力作用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满足上述共振条件时,就是波粒共振作用的时候。

同频共振条件可以简单写为下式:

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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。对于n大于1的情况,不太容易直观理解;对于n= 1的情况,按照上面的说法非常易解,这时电子完全与波场的传播和旋转同步,因而感受到相位不变的波的电场。实际情况中,电子的速度会有一个分布,会有大有小,相应能量会有高有低。当电子能量(速度)略低时,会被波场加速而当电子能量略高时,会被波场减速。由于能量守恒,前一情况下波会失去能量而发生损耗(幅度下降),而后一情况下,波会从电子中得到能量而被激发起来幅度增加而成为可能激发辐射的不稳定性过程。这就简单解释了为什么产生超高亮温太阳射电爆发的等离子体相干辐射需要满足“粒子数反转”条件,也解释了“同频共振”的作用机理。

n大于1时也会发生共振作用,这需要借助高等数学特殊函数---Bessel函数才能解释清楚,如果大家有直观的物理解释请一定告诉我。这里也不再具体演示数学推导,感兴趣的可以找我要公式推导,几行就够了。

有关射电辐射机制问题,可以说,问题相对复杂,理论要求较高,研究的门槛不低。因此,尽管我带着学生做了多年的射电辐射研究,却一直没有能涉足到辐射机制物理过程本身的研究之中。然而,作为一个大的科研团组或者作为一个研究群体,科学研究必须要回到原点,从原点出发,才可能做出更有意义的科研工作,对学科的带动性也才能更强。对于天文和空间科学研究而言,科研的起点或原点在于数据的获取,那么,我们就要回到观测数据的获取,把从设备研发与升级换代、数据获取、校准到物理分析研究这一完整的科研创新链走完,而不能象过去许多年那样,网路下载国外数据再分析研究到国外发表(“基础研究两头在外”),使得我们总是处于整个空间科学“全球科研创新链”的末端,难以在国际上有好的学术影响和地位。

“回到科研的起点”是我国新时代对科研的要求。国内各个团组都这么干了,我们国家就能引领相应学科的发展,就能取得对学科领域的领导地位。当然,这一“领导”目的不可能“一蹴而就”,恐还需至少十到二十年的耐心发展和积累才有可能。让我们向等离子体学习,做到“凝心聚力、同频共振”,便可“相干辐射、耀我中华”!



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