打開(kāi)滅火器后，壓縮的二氧化碳在噴嘴周?chē)纬杀?，這是氣體和等離子膨脹時(shí)冷卻的物理原理的直觀示例。當(dāng)我們的太陽(yáng)以太陽(yáng)風(fēng)的形式排出等離子時(shí)，風(fēng)也會(huì)隨著其在太空中的擴(kuò)散而變涼-但遠(yuǎn)不及物理定律所預(yù)測(cè)的那么大。

在 發(fā)表的一項(xiàng)研究 在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的訴訟中，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的物理學(xué)家的大學(xué)提供了在太陽(yáng)風(fēng)的溫度差異的解釋。他們的發(fā)現(xiàn)提出了在研究實(shí)驗(yàn)室中研究太陽(yáng)風(fēng)現(xiàn)象并了解其他恒星系統(tǒng)中太陽(yáng)風(fēng)特性的方法。

這項(xiàng)研究的主要作者，物理學(xué)教授Stas Boldyrev說(shuō)：“人們自1959年發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)以來(lái)就一直在研究它，但是這種等離子體有許多重要的性質(zhì)還沒(méi)有得到很好的理解 。” “最初，研究人員認(rèn)為，隨著太陽(yáng)風(fēng)的擴(kuò)散，太陽(yáng)風(fēng)必須非常迅速地冷卻，但是衛(wèi)星測(cè)量結(jié)果表明，到達(dá)地球后，太陽(yáng)風(fēng)的溫度比預(yù)期高10倍。因此，一個(gè)基本的問(wèn)題是：為什么它沒(méi)有冷卻下來(lái)?”

太陽(yáng)等離子體是帶負(fù)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(yáng)等離子體受到在太陽(yáng)表面下方產(chǎn)生的延伸到太空中的磁場(chǎng)的影響。當(dāng)熱等離子體從太陽(yáng)的最外層大氣(即日冕)逸出時(shí)，它像太陽(yáng)風(fēng)一樣流經(jīng)太空。等離子體中的電子比離子輕得多，因此它們的移動(dòng)速度快40倍左右。

隨著更多帶負(fù)電荷的電子流走，太陽(yáng)呈現(xiàn)正電荷。這使電子更難逃脫太陽(yáng)的拉力。一些電子具有很多能量，并且可以無(wú)限傳播。那些能量較少的人無(wú)法逃脫太陽(yáng)的正電荷，而被吸引回太陽(yáng)。這樣做時(shí)，其中一些電子可能會(huì)因與周?chē)入x子體碰撞而被輕微地?fù)袈洹?/p>

“存在一種基本的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，即速度與磁場(chǎng)線不完全對(duì)準(zhǔn)的粒子無(wú)法移入強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，” Boldyrev說(shuō)。“這些返回的電子被反射，使它們從太陽(yáng)流走，但是由于太陽(yáng)的吸引力，它們?cè)僖矡o(wú)法逃脫。因此，它們的命運(yùn)是來(lái)回反彈，從而產(chǎn)生大量所謂的被困電子。”

為了解釋太陽(yáng)風(fēng)中的溫度觀測(cè)結(jié)果，Boldyrev和他的同事，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的物理學(xué)教授 Cary Forest 和 Jan Egedal 著眼于相關(guān)但又截然不同的等離子體物理學(xué)領(lǐng)域，以尋求可能的解釋。

在科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)的那段時(shí)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(kāi)發(fā)了“鏡子機(jī)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(kāi)口的瓶子一樣。

當(dāng)?shù)入x子體中的帶電粒子沿著磁力線傳播時(shí)，它們到達(dá)瓶頸，并且磁力線被擠壓。捏起鏡子的作用，將顆粒反射回機(jī)器中。

“但是有些顆?？梢砸莩觯?dāng)它們逸出時(shí)，它們沿著瓶外不斷擴(kuò)大的磁力線流動(dòng)。因?yàn)槲锢韺W(xué)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(kāi)口之外下降。” Boldyrev說(shuō)。“這與太陽(yáng)風(fēng)向遠(yuǎn)離太陽(yáng)的方向發(fā)展非常相似。”

博爾德列夫及其同事認(rèn)為，他們可以將鏡子機(jī)器中的相同理論應(yīng)用于太陽(yáng)風(fēng)，研究被困粒子和逃逸粒子之間的差異。在鏡子機(jī)器的研究中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)逃逸到瓶子中的非常熱的電子能夠?qū)⑵錈崮芫徛胤峙浣o捕獲的電子。

博爾德列夫說(shuō)：“在太陽(yáng)風(fēng)中，熱電子從太陽(yáng)流到很遠(yuǎn)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(shí)證明，我們的結(jié)果與太陽(yáng)風(fēng)溫度曲線的測(cè)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(shuō)。

鏡像機(jī)器理論預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)溫度的準(zhǔn)確性為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用機(jī)器研究太陽(yáng)風(fēng)打開(kāi)了大門(mén)。

“也許我們甚至?xí)谀切?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些有趣的現(xiàn)象，然后太空科學(xué)家將嘗試在太陽(yáng)風(fēng)中尋找它們，”博爾德列夫說(shuō)。“當(dāng)您開(kāi)始做新的事情時(shí)，總是很有趣。您不知道會(huì)得到什么驚喜。”