Почему солнечный ветер более горячий, чем ожидалось ранее

Когда огнетушитель срабатывает, сжатый диоксид углерода образует кристаллы льда вокруг сопла, что наглядно демонстрирует физический принцип, согласно которому газы и плазма охлаждаются при расширении. Когда наше Солнце испускает плазму в форме солнечного ветра, ветер также охлаждается, расширяясь в пространстве, но не так сильно, как предсказывают законы физики.

В исследовании, опубликованном 14 апреля в «Слушаниях» Национальной Академии Наук, Университета Висконсин-Мэдисон дают объяснение расхождению в температуре солнечного ветра. Их результаты предлагают способы изучения явлений солнечного ветра в исследовательских лабораториях и изучения свойств солнечного ветра в других звездных системах.

«Люди изучали солнечный ветер с момента его открытия в 1959 году, но есть много важных свойств этой плазмы, которые до сих пор не совсем понятны», - говорит Стас Болдырев, профессор физики и ведущий автор исследования. «Изначально исследователи думали, что солнечный ветер должен очень быстро остывать при расширении отходя от Солнца, но спутниковые измерения показывают, что при достижении Земли его температура в 10 раз превышает ожидаемую. Итак, фундаментальный вопрос: почему не остывает?

Солнечная плазма представляет собой расплавленную смесь отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов. Из-за этого заряда на солнечную плазму влияют магнитные поля, которые простираются в пространство, генерируемые под поверхностью Солнца. По мере того, как горячая плазма выходит из внешней атмосферы Солнца, его короны, она течет через пространство как солнечный ветер. Электроны в плазме являются гораздо более легкими частицами, чем ионы, поэтому они движутся примерно в 40 раз быстрее.

Когда все больше отрицательно заряженных электронов улетучивается, солнце приобретает положительный заряд. Это затрудняет выход электронов из притяжения Солнца. Некоторые электроны обладают большой энергией и продолжают путешествовать на бесконечные расстояния. Те, у кого меньше энергии, не могут избежать положительного заряда солнца и притягиваются обратно к Солнцу. При этом некоторые из этих электронов могут быть слегка сбиты со своих траекторий столкновениями с окружающей плазмой.

«Существует фундаментальное динамическое явление, которое говорит о том, что частицы, скорость которых не очень хорошо согласуется с линиями магнитного поля, не могут двигаться в область сильного магнитного поля», - говорит Болдырев. «Такие возвращающиеся электроны отражаются так, что они устремляются прочь от солнца, но опять же они не могут убежать из-за положительного притяжения Солнца. Таким образом, их судьба состоит в том, чтобы отскакивать назад и вперед, создавая большую популяцию так называемых захваченных электронов.»

Пытаясь объяснить температурные наблюдения в солнечном ветре, Болдырев и его коллеги, профессора физики UW-Madison Кэри Форест и Ян Эгедаль, обратились за возможным объяснением к смежной, но отдельной области физики плазмы.

Примерно в то время, когда ученые обнаружили солнечный ветер, исследователи синтеза плазмы думали о способах ее исследования. Они разработали «магнитные зеркальные машины» или ловушки высокотемпературной плазмы с помощью магнитных полей, выполненные в виде труб с запаянными концами.

По мере того как заряженные частицы в плазме движутся вдоль силовых линий, они приближаются к концам трубки, испытывают возрастающую силу, которая в конечном итоге заставляет их менять направление и возвращаться в зону заключения.

«Но некоторые частицы могут вырваться, и когда они это делают, они движутся вдоль расширяющихся линий магнитного поля за пределами бутылки. Поскольку физики хотят поддерживать эту плазму очень горячей, они хотят выяснить, как снижается температура электронов, выходящих из бутылки». «Это очень похоже на то, что происходит в солнечном ветре, который распространяется от солнца».

Болдырев и его коллеги думали, что они могут применить ту же теорию зеркальных машин к солнечному ветру, глядя на различия в захваченных частицах и тех, которые улетают. В исследованиях зеркальных машин физики обнаружили, что очень горячие электроны, выходящие из машины, могли медленно распределять свою тепловую энергию по захваченным электронам.

«В солнечном ветре горячие электроны текут от Солнца на очень большие расстояния, очень медленно теряя свою энергию и распределяя ее в пространстве», - говорит Болдырев. «Получается, что наши результаты очень хорошо согласуются с измерениями температуры солнечного ветра, и они могут объяснить, почему температура электронов снижается с расстоянием так медленно», - говорит Болдырев.

Точность, с которой теория зеркальных машин предсказывает температуру солнечного ветра, открывает возможности для их использования для изучения солнечного ветра в лабораторных условиях.

«Может быть, мы даже обнаружим некоторые интересные явления в тех экспериментах, которые затем космические ученые попытаются подтвердить на солнечном ветре», - говорит Болдырев. «Всегда весело, когда начинаешь делать что-то новое. Ты не знаешь, какие сюрпризы ты получишь».