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仿斑马条纹之特征、窥空间电波之天机 精选

已有 5957 次阅读 2021-2-18 10:35 |系统分类:科普集锦

仿斑马条纹之特征、窥空间电波之天机

    宇宙空间与其中的天体可以向外辐射无线电波。“截获”并“破译”这些电波是空间物理和天文学研究的一项重要课题。

为有效截获电波,需建造庞大而精细的观测系统,一般由巨大的信号收集器---反射面或其它形式的天线---以及信号分析与处理系统构成。庞大是为了提高接收到的信号能量,因为那些穿越时空、长途跋涉而来的空间电波之能量已由发出时的触目惊心之巨大降低到比微弱之还微弱;而精细则是要识别这些微弱电波的能量、相位,甚至还要辨明源区所在和形状,在仪器装备上稍有粗制或校调不周,后果便不堪设想。正“快出成果、出大成果”的FAST国之重器,现在看起来便是这样一个且庞大且精细的成功典范。

为了破译和理解这些电波,包括它们的起源、机制,以及窥探这些作为宇宙空间“信使”所传递的“天机”,仅有庞大而精细的观测系统自然是不够的,还需殚精竭虑发展相对完备的物理和数学模型,要构造跟观测系统同样庞大而精细的数值模拟系统。电波背后是艰深的物理原理和数学公式,在一定程度上可走或者只能走极简之路来表达和理解;然而,为能真正破译空间电波的信息,还须尽可能真实地考虑源区特征与参数,通过模拟仿真方能更好地理解背后的物理。

 

FAST-BSSC.png


建于贵州平塘县大窝凼的500米口径球面射电望远镜(FAST);北京云超算中心提供的大型超算集群照片。

早在上世纪七十年代,通过分析信号频谱,研究人员便从所截获的太阳大气电波中发现一种看起来特规整、随频率准周期强弱变化的条纹结构,一般称为斑马条纹;之后,陆续从木星、地球、土星等行星的磁层系统,乃至遥远的超新星遗迹—蟹状星云脉冲星所发出的电波信号中找到了类似条纹结构。在之前一期博文《宇宙空间斑马条纹》中,作者已有细述。

斑马纹数据.png


系列经典的太阳射电斑马条纹(取自作者博文《宇宙空间斑马条纹》)。


关于空间电波斑马条纹的产生,已提出了好几种机制。其中,广为接受的一种叫做双共振模型,是基于“等离子体双共振不稳定性对等离子体相干(gan1)辐射强度的调制作用”来解释的,各条纹源自不同位置,而条纹间距则由电子回旋频率大小决定。下面予以简介。

首先,为什么是相干的辐射?相干的,简单而言,即“非不相干”。看起来像是废话。不然,因为非相干辐射是基于单粒子的一种普遍存在,如轫致辐射,只要电荷在加速,理论上都可有电波发出,再如回旋辐射,只要电荷在回旋(此为常态),就可存在。由于以单粒子为单元,所产生的辐射就会呈现“各自为政”、彼此毫不相干的局面,最大辐射强度以粒子运动能量为可能的极限;而观测到的电波强度,以亮温---也就是在相同频率产生同等强度辐射的黑体的温度---来度量,对于太阳或前面提到的几大行星而言,电波亮温常可超过10^10K,甚至10^15K,若假设非相干辐射,便需电子至少达MeV甚至百GeV,对于在太阳系内加速产生的高能电子,前者有但鲜见、后者则不太可能;而假设相干辐射,则只需keV至几十keV的电子便可获得如此高的亮温!方便且轻松,是更自然也是合理的物理解释。

跟非相干辐射类似,相干辐射也是由能量电子驱动供能的,不过这些它们不再“各自为政”,而是通过“同频共振”将等离子体整体“嗨”起来---一起摇摆、一起波动,从而激发起具特定频率、波长和传播方向的波以实现“凝心聚力”的相干辐射。这一点在前年博文《凝心聚力、同频共振之相干辐射》中已有细致交代。

其次,为何产生斑马纹的一定是等离子体辐射?这种辐射被定义为等离子体在等离子体振荡频率(ωpe)与其倍频(称为谐频)附近发出的电波辐射。这其实是一个很泛的概念,更像是一种现象学的描述,并不涉及到具体的机理和过程。当前,只找到两种等离子体相干辐射机制。一种是刚提及的等离子体辐射;另一种叫做电子回旋脉泽辐射,辐射频率是电子回旋频率(ωce)及其整数倍频,主要在ωpece时起作用。基于当前对斑马纹源区之一太阳大气参数的认知,应多满足另一条件ωpece,其次,还没有哪个等离子体辐射机制能有效产生三、四次甚至更高谐次的辐射。所以,目前都认为斑马纹源自等离子体辐射。即便对于源自蟹状星云脉冲星的斑马纹结构,也有研究人员如此认为。

再者,所谓“双共振”如何得以调制等离子体辐射的强度,使其出纹现带?自然界中的共振现象大都是指此类情况:当作用双方同频时,可共振互耦发生极大能量交换。对于等离子体,亦如此,作用双方则指电波或者产生电波的波,以及粒子。粒子运动的特征频率便是ωpe和ωce了,或者是二者之杂合体---高杂频率(用ωUH表示,由ωpe与ωce的平方和再开根号给出)。当波动频率与两种粒子特征频率或其整数倍相等时,高能电子便可通过共振将部分能量转交给波致其有效激发,进而产生辐射。

顾名思义,“双共振”便是指在合适条件下,发生了“一对”共振。这一般是指,波的频率等于ωUH(高杂共振)、又刚好是wce的整数倍(电子回旋共振),这时便导致波在特定参数(ωpe, ωce)下的最为有效的激发。当然,实际情况中,未必一定在整数倍发生双共振现象,但被最大激发的“峰值”或共振频率必定是处于ωUH附近的。

双共振模型是这样解释斑马纹的:设辐射源区各处ωpe(由电子密度决定)和ωce(由磁场强度决定)大小不同,则源区不同位置对应于不同的ωpe和ωce(常用二者比值表示),若变化跨度够大,如二者比值由10 增至20,就会在每一个该比值变化1的区间内遭遇“峰值”频率---对应于斑马纹亮带,而临近位置则对应于暗区。在上述源区内正好可有10条亮带。

上面的描述已备为详尽,还存在哪些问题呢?首先,双共振模型,虽已提出40年之久,但一直停留在粒子能量转交给等离子体静电波这一阶段,而没有演进到真正电磁辐射的层次,而这后一阶段无疑会影响所得辐射的性质;其次,等离子体辐射可基可谐,目前也并未观测到过斑马纹同时出现于基谐频中的现象,故一个关键问题是:斑马纹相关辐射到底是基频还是谐频?这关乎如何将之用于源区诊断,搞不好会有100%的偏差。

如何将该机制研究推进到辐射这一层次?又如何判断辐射的基谐频性质?这自然需明确具体的辐射机制,也需有庞大的计算资源---欲全过程模拟等离子体辐射,须模拟百亿级大量粒子的运动行为、模拟非线性的波波作用,这靠线性理论自然无能为力,只能依靠大规模的集群超算。

最近,作者团队在等离子体辐射机制方面取得重要进展,为解决上述问题提供了新的契机。说来话长,然简短截说,传统的等离子体辐射机制是基于束流电子驱动静电波再产生电波辐射的,该机制占据绝对的主导地位!不信去查阅几乎任何相关文献,在提到等离子体辐射时,都会重复上述文字;然而,作者团队最近发现了一种“新型”机制---由非束流电子所致电子回旋共振不稳定性驱动的等离子体辐射机制,相关过程在以往研究中曾被部分提及却几被抛弃和否定。其中原因暂不细表。此处趁势将该新机制拓展,考虑近十组不同的ωpece比值并分别完成粒子模拟。这十组比值分布于9.5-11.5之间,通过观察辐射强度变化来判断斑马纹特征的形成情况。

模拟的空间网格有几百万,每网格内放近万粒子,如此约莫百亿之众。跟踪模拟所有这近百亿粒子的轨迹行为,还有它们跟电磁场的相互作用,需自洽求解所有粒子的牛顿运动方程和Maxwell方程组。网上开源的模拟代码(LANL-VPIC)、北京云超算中心(BSCC)以及国家自然科学基金为完成这一研究提供了关键支撑。

主要结果在下面两图中示出,有两点值得注意。一是基于所提出的新型等离子体辐射机制,模拟了斑马纹由高能电子至辐射全过程;在该机制框架下,斑马纹源自等离子体谐频辐射,而非基频因之辐射太弱以至于难以显现展露。不少研究曾想当然假设其为基频辐射,有所欠妥。将来应继续跟进,如扩大解域和模拟不均匀背景下多条纹如何同时生成,以将相关研究推至更深入的层次。有关模拟结果在下面图中示出,感兴趣者可参阅图题及相关文章。

该工作主要由山东大学前沿交叉科学青岛研究院(李传洋)、山东大学空间科学研究院(陈耀等)和中国科学院国家天文台(谭宝林)等单位研究人员合作完成,已被《the Astrophysical Journal》接受发表,将于近期刊出。作者感谢国家基金委重大项目等课题资助。


波数空间强度分布.png


采用不同特征频率比(ωpece)的模拟结果:每列图对应于一个解,上列为由电场分量(Ex)所携带的等离子体波的波数空间强度分布,主要展示大波数的高杂静电波,下列为电场分量(Ey)所携带的等离子体波的波数空间强度分布,主要展示电磁模式,包括中等波数的谐频(H: 圆圈)及更小波数的Z模和W模。

模拟斑马纹.png


左图:假想辐射源区---磁流管中各处所对应的不同的特征频率比,斑马纹不同纹带源自该磁场结构的不同位置;中图:以本研究模拟所得谐频辐射强度数值与频率之关系为模板,构造出的斑马纹频谱结构,该图没有考虑密度或磁场强度的涨落;右图:考虑了相应涨落之后得到的斑马纹频谱图,可与观测数据大概比拟。

 




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