En spegelmaskin är en linjär fusionsreaktor. Det gör det möjligt för forskare att tillämpa forskning i maskinerna för att förstå solvindsfenomen. Kredit:Cary Forest / UW-Madison
När en brandsläckare öppnas, den komprimerade koldioxiden bildar iskristaller runt munstycket, ger ett visuellt exempel på fysikprincipen att gaser och plasma svalnar när de expanderar. När vår sol driver ut plasma i form av solvind, vinden svalnar också när den expanderar genom rymden – men inte alls så mycket som fysikens lagar skulle förutsäga.
I en studie publicerad 14 april i Proceedings of the National Academy of Sciences , University of Wisconsin-Madison fysiker ger en förklaring till skillnaden i solvindens temperatur. Deras resultat föreslår sätt att studera solvindsfenomen i forskningslabb och lära sig om solvindsegenskaper i andra stjärnsystem.
"Människor har studerat solvinden sedan den upptäcktes 1959, men det finns många viktiga egenskaper hos denna plasma som fortfarande inte är väl förstådda, " säger Stas Boldyrev, professor i fysik och huvudförfattare till studien. "Initialt, forskare trodde att solvinden måste svalna mycket snabbt när den expanderar från solen, men satellitmätningar visar att när den når jorden, dess temperatur är 10 gånger högre än förväntat. Så, en grundläggande fråga är:Varför svalnar det inte?"
Solplasma är en smält blandning av negativt laddade elektroner och positivt laddade joner. På grund av denna avgift, solplasma påverkas av magnetfält som sträcker sig ut i rymden, genereras under solytan. När den varma plasman flyr från solens yttersta atmosfär, dess corona, den flyter genom rymden som solvind. Elektronerna i plasman är mycket lättare partiklar än jonerna, så de rör sig ungefär 40 gånger snabbare.
Med mer negativt laddade elektroner som strömmar bort, solen tar på sig en positiv laddning. Detta gör det svårare för elektronerna att undkomma solens dragkraft. Vissa elektroner har mycket energi och fortsätter att resa över oändliga avstånd. De med mindre energi kan inte undkomma solens positiva laddning och dras tillbaka till solen. Som de gör, några av dessa elektroner kan slås av sina spår nästan lite genom kollisioner med omgivande plasma.
"Det finns ett fundamentalt dynamiskt fenomen som säger att partiklar vars hastighet inte är väl inriktad med magnetfältslinjerna inte kan röra sig in i ett område med ett starkt magnetfält, " säger Boldyrev. "Sådana återkommande elektroner reflekteras så att de strömmar bort från solen, men återigen kan de inte fly på grund av solens attraherande elektriska kraft. Så, deras öde är att studsa fram och tillbaka, skapa en stor population av så kallade fångade elektroner."
I ett försök att förklara temperaturobservationerna i solvinden, Boldyrev och hans kollegor, UW-Madison fysikprofessorer Cary Forest och Jan Egedal tittade på en närstående, men distinkt, plasmafysik för en möjlig förklaring.
Solvinden orsakar händelser som norrsken, som den här fotograferad av en amerikansk astronaut efter att ha dockat med den internationella rymdstationen. Det kan också störa satellitkommunikation och förvränga jordens magnetfält. Kredit:NASA
Ungefär när forskare upptäckte solvind, plasmafusionsforskare funderade på sätt att begränsa plasma. De utvecklade "spegelmaskiner, " eller plasmafyllda magnetfältlinjer formade som rör med klämda ändar, som flaskor med öppen hals i vardera änden.
När laddade partiklar i plasman färdas längs fältlinjerna, de når flaskhalsen och magnetfältslinjerna kläms. Nypan fungerar som en spegel, reflekterar partiklar tillbaka in i maskinen.
"Men vissa partiklar kan fly, och när de gör det, de strömmar längs expanderande magnetfältslinjer utanför flaskan. Eftersom fysikerna vill hålla denna plasma väldigt varm, de vill ta reda på hur temperaturen på elektronerna som kommer ut ur flaskan sjunker utanför denna öppning, " säger Boldyrev. "Det är väldigt likt det som händer i solvinden som expanderar bort från solen."
Boldyrev och kollegor trodde att de kunde tillämpa samma teori från spegelmaskinerna på solvinden, tittar på skillnaderna i de fångade partiklarna och de som flyr. I spegelmaskinstudier, fysikerna fann att de mycket heta elektronerna som flydde ur flaskan kunde distribuera sin värmeenergi långsamt till de fångade elektronerna.
"In the solar wind, the hot electrons stream from the sun to very large distances, losing their energy very slowly and distributing it to the trapped population, " 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."
