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太阳风比预期的要热——使用反射镜机器的研究可能有助于解释这一现象

太阳风比预期的要热——使用反射镜机器的研究可能有助于解释这一现象

当灭火器被打开时,压缩的二氧化碳在喷嘴周围形成冰晶,为气体和等离子体膨胀时的冷却提供了一个直观的物理原理例子。当我们的太阳以太阳风的形式排出等离子体时,当风在太空中膨胀时也会冷却。但远远没有物理定律所预测的那么多。

在发表于2020年4月14日的《美国国家科学院院刊》上的一项研究中,威斯康辛大学麦迪逊分校的物理学家们为太阳风温度的差异提供了一种解释。他们的发现为在实验室研究太阳风现象和了解其他恒星系统的太阳风特性提供了方法。

自从太阳风在1959年被发现以来,人们一直在研究太阳风,但这种等离子体的许多重要性质至今仍未得到很好的理解。该研究的主要作者、物理学教授斯塔斯?博尔德列夫(Stas Boldyrev)表示。起初,研究人员认为太阳风从太阳扩散时必须迅速降温,但卫星测量显示,当太阳风到达地球时,它的温度是预期的10倍。所以,一个基本的问题是:为什么它不能冷却下来?

太阳风比预期的要热——使用反射镜机器的研究可能有助于解释这一现象

太阳等离子体是带负电荷的电子和带正电荷的离子的熔融混合物。由于这种电荷,太阳等离子体受到延伸到太空的磁场的影响,这些磁场是在太阳表面之下产生的。当热等离子体从太阳的最外层大气——日冕中逃逸出来时,它会以太阳风的形式在太空中流动。等离子体中的电子比离子轻得多,所以它们的移动速度是离子的40倍。

随着更多带负电荷的电子流走,太阳带上了一个正电荷。这使得电子更难逃脱太阳的引力。有些电子有很大的能量,可以无限远地运动。能量较低的粒子无法逃脱太阳的正电荷而被吸引回太阳。当它们这样做的时候,其中的一些电子会因为与周围等离子体的碰撞而稍稍偏离轨道。

太阳风比预期的要热——使用反射镜机器的研究可能有助于解释这一现象

有一个基本的动力学现象说,粒子的速度如果与磁场线不一致,就不能进入强磁场的区域。Boldyrev说。这些返回的电子被反射回来,因此它们从太阳流走,但由于太阳的引力,它们又无法逃脱。因此,它们的命运就是来回弹跳,产生大量所谓的“俘获电子”。

为了解释太阳风的温度观测,Boldyrev和他的同事,威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授Cary Forest和Jan Egedal从一个相关但不同的等离子体物理学领域寻找可能的解释。

大约在科学家发现太阳风的时候,等离子体聚变研究人员就在考虑限制等离子体的方法。他们开发了镜像机。或者是充满等离子体的磁力线,形状像管子,两端被挤压,就像两端都有开口的瓶子。

当等离子体中的带电粒子沿着磁力线运动时,它们到达瓶颈,磁力线受到挤压。按压就像一面镜子,把粒子反射回机器。

但有些粒子可以逃逸,当它们逃逸时,它们会沿着瓶外不断扩大的磁场线流动。因为物理学家们想要保持等离子体的高温,他们想要弄清楚从瓶外逸出的电子的温度是如何在这个开口之外下降的。Boldyrev说。这与太阳风中发生的情况非常相似,太阳风是从太阳向外扩展的。

Boldyrev和他的同事们认为他们可以将同样的理论应用到太阳风的反射器上,观察被捕获粒子和逃逸粒子的区别。在镜像机的研究中,物理学家们发现从瓶子中逸出的非常热的电子能够将它们的热能缓慢地分配给被捕获的电子。

镜面机器理论预测太阳风温度的准确性为在实验室环境中使用机器研究太阳风打开了大门。

也许我们甚至会在那些实验中发现一些有趣的现象,太空科学家们将试图在太阳风中寻找这些现象。Boldyrev说。当你开始做一些新的事情的时候,总是很有趣的。你不知道你会得到什么惊喜。

参考文献:太阳风的电子温度;由Stanislav Boldyrev, Cary Forest和Jan egedal2020年4月14日,美国国家科学院院刊。

DOI: 10.1073 / pnas.1917905117

这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF fy -1707272)、美国国家航空航天局(NASA 80NSSC18K0646)和美国能源部(DE-SC0018266)的支持。

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