Ny forskning hjælper med at forklare, hvorfor solvinden er varmere end forventet

Når en ildslukker åbnes, den komprimerede kuldioxid danner iskrystaller omkring dysen, giver et visuelt eksempel på fysikprincippet om, at gasser og plasmaer afkøles, når de udvider sig. Når vores sol udstøder plasma i form af solvind, vinden afkøles også, når den udvider sig gennem rummet - men ikke nær så meget, som fysikkens love ville forudsige.

I en undersøgelse offentliggjort 14. april i Proceedings of the National Academy of Sciences , University of Wisconsin-Madison fysikere giver en forklaring på uoverensstemmelsen i solvindens temperatur. Deres resultater foreslår måder at studere solvindfænomener i forskningslaboratorier og lære om solvindegenskaber i andre stjernesystemer.

"Folk har studeret solvinden siden den blev opdaget i 1959, men der er mange vigtige egenskaber ved dette plasma, som stadig ikke er godt forstået, " siger Stas Boldyrev, professor i fysik og hovedforfatter af undersøgelsen. "I første omgang, Forskere troede, at solvinden skal køle meget hurtigt ned, når den udvider sig fra solen, men satellitmålinger viser, at når den når Jorden, dens temperatur er 10 gange højere end forventet. Så, et grundlæggende spørgsmål er:Hvorfor køler det ikke ned?"

Solplasma er en smeltet blanding af negativt ladede elektroner og positivt ladede ioner. På grund af denne afgift, solplasma er påvirket af magnetiske felter, der strækker sig ud i rummet, genereret under soloverfladen. Når det varme plasma slipper ud af solens yderste atmosfære, dens corona, den flyder gennem rummet som solvind. Elektronerne i plasmaet er meget lettere partikler end ionerne, så de bevæger sig omkring 40 gange hurtigere.

Med flere negativt ladede elektroner, der strømmer væk, solen får en positiv ladning. Dette gør det sværere for elektronerne at undslippe solens træk. Nogle elektroner har meget energi og bliver ved med at rejse uendelige afstande. Dem med mindre energi kan ikke undslippe solens positive ladning og tiltrækkes tilbage til solen. Som de gør, nogle af disse elektroner kan blive slået lidt af deres spor ved kollisioner med omgivende plasma.

"Der er et fundamentalt dynamisk fænomen, der siger, at partikler, hvis hastighed ikke er godt justeret med magnetfeltlinjerne, ikke er i stand til at bevæge sig ind i et område med et stærkt magnetfelt, " siger Boldyrev. "Sådanne tilbagevendende elektroner reflekteres, så de strømmer væk fra solen, men igen kan de ikke undslippe på grund af solens tiltrækkende elektriske kraft. Så, deres skæbne er at hoppe frem og tilbage, skabe en stor population af såkaldte fangede elektroner."

I et forsøg på at forklare temperaturobservationerne i solvinden, Boldyrev og hans kolleger, UW-Madison fysikprofessorer Cary Forest og Jan Egedal kiggede på en beslægtet, men distinkt, inden for plasmafysik for en mulig forklaring.

Omkring det tidspunkt, hvor forskerne opdagede solvind, plasmafusionsforskere tænkte på måder at begrænse plasma på. De udviklede "spejlmaskiner, " eller plasmafyldte magnetfeltlinjer formet som rør med sammenklemte ender, som flasker med åben hals i hver ende.

Når ladede partikler i plasmaet bevæger sig langs feltlinjerne, de når flaskehalsen og magnetfeltlinjerne klemmes. Knibet fungerer som et spejl, reflekterer partikler tilbage i maskinen.

"Men nogle partikler kan undslippe, og når de gør det, de strømmer langs ekspanderende magnetfeltlinjer uden for flasken. Fordi fysikerne ønsker at holde dette plasma meget varmt, de vil finde ud af, hvordan temperaturen på elektronerne, der undslipper flasken, falder uden for denne åbning, " siger Boldyrev. "Det ligner meget, hvad der sker i solvinden, der udvider sig væk fra solen."

Boldyrev og kolleger troede, at de kunne anvende den samme teori fra spejlmaskinerne til solvinden, ser på forskellene i de fangede partikler og dem, der undslipper. I spejlmaskinestudier, fysikerne fandt ud af, at de meget varme elektroner, der undslap flasken, var i stand til at distribuere deres varmeenergi langsomt til de fangede elektroner.

"I solvinden, de varme elektroner strømmer fra solen til meget store afstande, mister deres energi meget langsomt og distribuerer den til den fangede befolkning, " Boldyrev says. "It turns out that our results agree very well with measurements of the temperature profile of the solar wind and they may explain why the electron temperature declines with the distance so slowly, " Boldyrev says.

The accuracy with which mirror machine theory predicts solar wind temperature opens the door for using them to study solar wind in laboratory settings.

"Maybe we'll even find some interesting phenomena in those experiments that space scientists will then try to look for in the solar wind, " Boldyrev says. "It's always fun when you start doing something new. You don't know what surprises you'll get."