近日，普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)推出一台具有无与伦比能力的机器——实验室重联实验设施(FLARE)，用于探索磁重联现象。
左图为准备就绪的FLARE。右图为太阳耀斑图像。(图片来源：Michael Livingston / PPPL通讯部;NASA戈达德太空研究所)
在实验室一间天花板高耸的宽敞房间里，一个侧放着的闪闪发光的装置格外引人注目，它形似一个SUV大小的金属桶，随时准备开启科学实验之旅。FLARE长12英尺，直径9英尺，重达10多吨，是世界一流的首创设施，代表了美国能源部下一代基础等离子体物理学研究。
6月12日，实验室举行了一场私人剪彩活动，庆祝FLARE正式投入运营。超过50人出席了这场仅限受邀者参加的活动，其中包括来自美国能源部、普林斯顿大学和PPPL的官员。PPPL主任史蒂夫·考利表示：“今天，我们将FLARE交付给世界。我们履行了设计、制造这台独一无二的设备并将其提供给科学界的承诺。我期待FLARE在未来几年为等离子体科学带来重要的见解。”
磁重联是磁场线断裂并重新连接时发生的现象，会释放出巨大能量，在整个宇宙中普遍存在，并为巨大的等离子体提供能量，如太阳表面的爆发——太阳耀斑。这些喷发会产生强烈的带电粒子风，涌入太阳系并袭击地球外层大气，可能破坏通信卫星、全球定位系统和电网，导致停电和互联网中断。此外，重联还发生在环形聚变内部的托卡马克装置中，会破坏关键的聚变反应，干扰运行。准确了解重连如何导致太阳耀斑和托卡马克装置中断，有助于减少对通信网络造成的损害，并增强托卡马克装置运行的稳定性。
普林斯顿大学天体物理学教授、PPPL杰出研究员兼FLARE首席研究员Hantao Ji称，FLARE是一个全新的研究平台，拥有科学家们此前从未接触过的功能，将提供航天器、计算机模拟和其他实验室实验无法提供的磁重联信息，是一种超越现有研究方法的全新研究方式。
FLARE旨在检验关于磁重联的假设，以增进人们对这一基本现象的认识。磁重联发生在磁场线相互靠近，然后突然断裂并以新形态重新连接时，威力巨大，在太阳表面和其他恒星上发生时可释放出相当于数万亿吨TNT炸药的能量。
美国能源部科学办公室主任Christian Newton指出，FLARE表明国家实验室体系增强了美国的国家研究能力，并提供了显著的竞争优势。美国能源部聚变能源科学副主任Jean Paul Allain强调，像PPPL这样的实验室可以承担巨大风险来构建能够解答重大问题的基础设施，FLARE就是一个完美例子。
到目前为止，科学家们只观察到在两条磁场线交汇处一个位置(称为X点)发生的重联。FLARE将通过更接近地复制外太空的实际条件，解答重联是否可以同时在多个X点发生的问题，还将帮助科学家更深入了解重联如何加热周围的等离子体。
发现等离子体科学副主任、PPPL首席研究物理学家兼FLARE团队成员Jongsoo Yoo表示，FLARE的任务目标是证明重联可以在多个X点发生，此前由于研究空间和可用能量的限制，无法进行相关实验，而FLARE将改变这一现状。不过，用巨大的金属桶模拟光年大小的巨大空间，关键在于比较重联事件的规模与FLARE内部空间的整体规模。通过挤压带电粒子绕磁场线的圆周运动，FLARE的磁铁缩小了流经等离子体的电流的大小，从而创造出比周围空旷空间更小的重联点，就像在外太空一样。
为了帮助科学家实现研究目标，FLARE可以储存并释放海量能量。在实验中，FLARE可释放超过600万焦耳的能量，相当于为大约1000户家庭供电5秒钟。这种巨大的能量脉冲使FLARE能够产生精确模拟重连所需的条件。
FLARE的能力使其能够收集甚至航天器都无法提供的信息。由于位于实验室中，科学家可以使用探测器直接测量重联事件。相比之下，旨在研究太空重联的航天器任务涉及的航天器数量有限，只能测量太空中非常小的一部分，而FLARE允许科学家进行任意数量的测量。在精度方面，FLARE也胜过高性能计算机模拟，因为模拟包含大量近似值，可能丢失许多重要的物理原理。
FLARE是一个合作研究设施，来自世界各地的科学家可以提交研究提案，并与PPPL的科学家共同确定实验范围并建立长期合作关系。例如，科学家可以与PPPL的科学家合作开发新的诊断方法或传感器，以测量FLARE中的等离子体特性。
FLARE的启用，对于理解外太空、恒星表面以及用于研究和利用聚变能的设备中发生的复杂物理现象，是迈出的重要一步。Hantao Ji教授表示，FLARE对PPPL乃至全世界都至关重要，因为它对天体物理和聚变等离子体研究都至关重要，这台下一代机器证实了PPPL在该研究领域处于国内和国际领先地位。
FLARE的组装由美国能源部(合同编号DE-AC02-09CH11466)和普林斯顿大学资助完成。FLARE仪器的初始建造由美国国家科学基金会重大研究仪器拨款PHY-1337831和普林斯顿大学资助，威斯康星大学麦迪逊分校和马里兰大学也提供了资助。
