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首次观测到电磁波（光波）动态传播，袁丁教授合作成果登上《自然•通讯》
发布时间：2024-04-22 08:59:42 522
【哈工大（深圳）宣】（空间科学与应用技术研究院 文/图）在著名的科幻小说《三体》中，主人公意外掌握了一种特殊的电磁信号传输方法，于是她用太阳作为信号放大器，以“恒星级”的传输功率向宇宙打出了人类文明的第一个“招呼”。这种操作是否真的存在可行性？近期，哈工大深圳校区空间科学与应用技术研究院教授袁丁的合作成果给出了初步的答案。
日前，袁丁及其合作研究者利用全球先进空间太阳望远镜——太阳动力学天文台，首次观测到电磁波（光）的动态传播，相关成果以《具备时间分辨率的太阳日冕中磁流体动力学波棱镜效应》为题发表在《自然•通讯》上。该成果第一作者为四川师范大学博士周新平，通讯作者为袁丁和云南天文台研究员申远灯。他们证实太阳日冕的特殊结构可作为电磁信号的放大器，太阳、行星等大型天体可作为电磁信号的放大器，实现星际间通讯或者能量传输。
长期以来，人类利用玻璃或冰来控制光束（电磁波），比如利用凸透镜聚焦太阳光用于取火；照相机利用透镜采集物体光线定格下瞬间；望远镜利用透镜或反射镜采集太空的光线用于天文观测……光线经过大型天体发生偏折，形成引力透镜效应，可用于探测宇宙中的黑洞和暗物质。
人类能够看见光线传播的轨迹，但无法观测光波的动态演化，这是因为光速是宇宙中最快的速度。要观测光波的动态传播过程有两种途径，一是发明比光速还快的成像仪器，二是让光速降下来。而该团队的研究目标就是让光波的速度降低到1000 km/s，光波原本的速度是300,000km/s，整整降低了300倍。这是因为电磁波（光波）在太阳日冕中触发，由于日冕中充满着完全电离的等离子体（带负电的电子和带正电质子），等离子体完全附着在磁场的磁力线上，电磁波（光波）在这种介质中称为磁流体动力学波，其传播速率低于电磁波在真空中的速率。
袁丁团队在本次研究中发现，太阳耀斑爆发触发了大尺度的磁流体动力学波，波前以太阳耀斑为中心往四周扩散传播，磁流体动力学波途径过了一个巨大的冕洞——日冕中温度低、等离子体密度低、磁场强度低的区域，在空间太阳望远镜的极紫外波段辐射弱，所以称为冕洞。而冕洞则充当了“凸透镜”的角色，磁流体动力学波从由四周扩散变为向焦点逐渐聚焦。据测量，该磁流体动力学波经过聚焦后，波动的振幅增加了3倍，所携带的能量流提升了7倍，这表明这种现象具备能量聚焦的效应。
星际战舰的电磁盾技术、地球的磁场等结构能有效地屏蔽太空中带电粒子，让带电粒子“绕开”星际战舰或地球，减少对人类和生命的伤害。由哈工大和中国航天科技集团联合建设的我国航天领域首个国家重大科技基础设施“空间环境地面模拟装置”，已开展空间磁环境和空间等离子体环境等相关系统的研究，可为研究空间环境与材料、器件及生命体的相互作用等提供重要支撑，对于保障人类太空探索活动的顺利开展、突破地面单因素模拟的局限、全面了解空间环境综合因素对物质的作用和影响等具有重要意义。袁丁团队的研究可为“空间环境地面模拟装置”提供理论依据和数值模型基础。
在这项成果中，先进的研究手段可谓最强“助攻”。课题研究采用了美国太阳动力学天文台望远镜提供的大气成像阵列的高清观测资料，该望远镜是世界上目前正在运营的最大的天基太阳望远镜之一。此外，课题研究采用世界上最先进、最完备的磁流体动力学数值模拟程序 ，完整再现了磁流体力学波的透镜效应的传播过程。
该项目由袁丁团队和申远灯团队合作完成。袁丁负责研究方案设计、协调国际合作、指导学生工作和论文初稿撰写等方面工作。周新平负责天文数据分析和论文撰写。申远灯负责科研方案设计、数据观测等方面工作。哈工大深圳校区硕士研究生付立博和王骄阳参与数据分析与数据可视化工作。比利时鲁汶大学数学系教授Rony Keppens和亚利桑那大学月球与行星实验室博士赵小舟负责高性能计算机模拟工作。（编辑 谢梁晖 审核 张惠屏 李晓慧）
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46846-z
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图1：太阳动力学天文台观测的耀斑爆发（波源）、冕洞（棱镜）和磁流体力学波的波前的扩散和聚焦过程
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图2：高性能计算机模拟的磁流体力学波的发射与聚焦过程 |
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发表于 2024-4-22 22:19
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