最新研究有助于解釋為什么太陽風比預期的要熱

打開滅火器后，壓縮的二氧化碳在噴嘴周圍形成冰晶，這是氣體和等離子膨脹時冷卻的物理原理的直觀示例。當我們的太陽以太陽風的形式排出等離子時，風也會隨著其在太空中的擴散而變涼-但遠不及物理定律所預測的那么大。

在 發表的一項研究 在美國國家科學院的訴訟中，威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家的大學提供了在太陽風的溫度差異的解釋。他們的發現提出了在研究實驗室中研究太陽風現象并了解其他恒星系統中太陽風特性的方法。

這項研究的主要作者，物理學教授Stas Boldyrev說：“人們自1959年發現太陽風以來就一直在研究它，但是這種等離子體有許多重要的性質還沒有得到很好的理解 。” “最初，研究人員認為，隨著太陽風的擴散，太陽風必須非常迅速地冷卻，但是衛星測量結果表明，到達地球后，太陽風的溫度比預期高10倍。因此，一個基本的問題是：為什么它沒有冷卻下來?”

太陽等離子體是帶負電的電子和帶正電的離子的熔融混合物。由于這種電荷，太陽等離子體受到在太陽表面下方產生的延伸到太空中的磁場的影響。當熱等離子體從太陽的最外層大氣(即日冕)逸出時，它像太陽風一樣流經太空。等離子體中的電子比離子輕得多，因此它們的移動速度快40倍左右。

隨著更多帶負電荷的電子流走，太陽呈現正電荷。這使電子更難逃脫太陽的拉力。一些電子具有很多能量，并且可以無限傳播。那些能量較少的人無法逃脫太陽的正電荷，而被吸引回太陽。這樣做時，其中一些電子可能會因與周圍等離子體碰撞而被輕微地擊落。

“存在一種基本的動力學現象，即速度與磁場線不完全對準的粒子無法移入強磁場區域，” Boldyrev說。“這些返回的電子被反射，使它們從太陽流走，但是由于太陽的吸引力，它們再也無法逃脫。因此，它們的命運是來回反彈，從而產生大量所謂的被困電子。”

為了解釋太陽風中的溫度觀測結果，Boldyrev和他的同事，威斯康星大學麥迪遜分校的物理學教授 Cary Forest 和 Jan Egedal 著眼于相關但又截然不同的等離子體物理學領域，以尋求可能的解釋。

在科學家發現太陽風的那段時間，等離子體聚變研究人員正在思考限制等離子體的方法。他們開發了“鏡子機器”或等離子填充的磁力線，這些磁力線的形狀像管子一樣，兩端都被擠壓，就像兩端都開口的瓶子一樣。

當等離子體中的帶電粒子沿著磁力線傳播時，它們到達瓶頸，并且磁力線被擠壓。捏起鏡子的作用，將顆粒反射回機器中。

“但是有些顆?？梢砸莩?，當它們逸出時，它們沿著瓶外不斷擴大的磁力線流動。因為物理學家希望使等離子體保持非常熱，所以他們想弄清楚逃逸到瓶子外的電子的溫度如何在此開口之外下降。” Boldyrev說。“這與太陽風向遠離太陽的方向發展非常相似。”

博爾德列夫及其同事認為，他們可以將鏡子機器中的相同理論應用于太陽風，研究被困粒子和逃逸粒子之間的差異。在鏡子機器的研究中，物理學家發現逃逸到瓶子中的非常熱的電子能夠將其熱能緩慢地分配給捕獲的電子。

博爾德列夫說：“在太陽風中，熱電子從太陽流到很遠的距離，失去非常緩慢的能量，并將其分配給被困的人口。” “事實證明，我們的結果與太陽風溫度曲線的測量非常吻合，并且可以解釋為什么電子溫度隨距離的下降如此緩慢，” Boldyrev說。

鏡像機器理論預測太陽風溫度的準確性為在實驗室環境中使用機器研究太陽風打開了大門。

“也許我們甚至會在那些實驗中發現一些有趣的現象，然后太空科學家將嘗試在太陽風中尋找它們，”博爾德列夫說。“當您開始做新的事情時，總是很有趣。您不知道會得到什么驚喜。”