北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授（通讯作者）、博士生刘晗（第一作者）、何建森研究员，周煦之研究员和物理学院肖池阶研究员等人组成的研究团队，利用一种创新的“电子回旋各向异性”作为度量太空等离子体磁洞边界的方法，揭示了空间等离子体物理中电子尺度磁洞的几何形态和产生机制，相关成果以“MMS observations of electron scale magnetic cavity embedded in proton scale magnetic cavity（MMS卫星观测到的嵌入质子磁洞的电子磁洞）”为题，发表于国际学术期刊Nature Communications（《自然.通讯》）。

用“电子回旋遥测”方法解析磁洞结构的原理示意

如果搅动一杯咖啡，我们能观察到液体中的漩涡，具有凹陷的液面、旋转的水流。如果被搅动的是宇宙中的主要物质形态——等离子体，那么漩涡会是什么样？这便是宗秋刚团队研究的问题。“电子尺度磁洞”就是这样一种广泛存在于等离子体中的小尺度涡旋。在由电离的离子和电子组成的等离子体中，电子尺度磁洞是一种抗磁结构，电子会像搅动的咖啡一样“打转”，并造成中心处磁场的下降。

近年来，关于电子尺度磁洞的研究是空间等离子体小尺度结构研究领域的一个热点。人们发现，这种结构的产生与湍动中的能量耗散有密切关联。然而，由于其全貌难以通过卫星实地观测而得到，人们一直未能直接测量这种结构的几何形态和空间分布。研究团队另辟蹊径，创新地使用了“电子回旋各向异性”作为度量太空等离子体磁洞边界的方法，利用NASA的“磁层多尺度任务”(Magnetospheric Multiscale,MMS)卫星提供的高精度数据，将电子密度分布变为一种“探测器”，通过持续的遥测首次直接获得了结构的边界形状和分布。研究结果显示，电子尺度磁洞在垂直磁力线方向的截面为圆形，并且有很好的旋转对称性。

研究团队还发现，电子尺度磁洞是一种相对稳定的抗磁结构，且观测到的该结构嵌入在质子尺度磁洞中，因此可能与质子尺度抗磁结构存在联系。这些研究成果有助于人们最终理解等离子体湍动中能量输运与耗散的机制，并最终在磁约束等关键技术领域取得突破。“电子回旋遥测”方法作为一种创新方法，还有望在更多特定的小尺度结构研究中得到应用。

文章信息：

Liu, H., Zong, Q.-G., Zhang, H., Xiao, C. J., Shi, Q.Q., Yao, S. T., He, J. S., Zhou, X.-Z., Pollock, C., Sun, W. J., Le, G., Burch, J. L. and Rankin, R. MMS observations of electron scale magnetic cavity embedded in proton scale magnetic cavity. Nat. Commun.10, 1040 (2019)