Солнечный ветер горячее, чем ожидалось, и теперь мы знаем почему

Солнце постоянно выбрасывает поток заряженных частиц, который мы называем солнечным ветром. Когда эта плазма(ионизированный газ) расширяется в пространстве, она охлаждается, но не так сильно, как предсказывают законы термодинамики. На практике происходит более долгое охлаждение, и ученые думают, что они наконец поняли, почему это так.

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

Идея проста. Когда газ расширяется, он должен остывать. Например, подумайте об использовании аэрозольного дезодоранта. Сжатый газ, который ранее находился при комнатной температуре, расширяется и охлаждается. Давление, объем и температура связаны. Так как солнечный ветер расширяется, если он был идеальным термодинамическим газом, он должен определенным образом охлаждаться. 

Как сообщается в журнале PNAS 14-го апреля, команда Болдырева предлагает сценарий, который объясняет, почему солнечный ветер не следует идеализированному случаю, указывая пальцем на электромагнитные взаимодействия между компонентами плазмы. В частности, виноваты электроны.

Выброшенные Солнцем частицы представляют собой смесь положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных очень легких электронов. Они имеют тенденцию очень быстро “убегать” от нашей звезды, а позитивные частицы отстают. Поскольку солнечный ветер расширяется, он имеет тенденцию иметь небольшой электрический заряд. Учитывая, что притягиваются противоположные заряды, некоторые из электронов, движущихся медленнее, будут замедляться еще больше, становясь «захваченными» этим расширением.

Чтобы проверить это, команда использовала Зеркальную Машину или «Пробкотрон», тип термоядерного реактора. В этом устройстве плазма хранится в камере, вход и выход которой ограничен, поэтому подавляющее большинство частиц отражается обратно в камеру (отсюда и название). В центре внимания исследователей были те частицы, которым удалось вырваться, и то, как они распространяли тепло.

Оказалось, что убегающая популяция медленно распределяет тепло среди захваченной популяции, поэтому, поскольку они быстро движутся по солнечному ветру, они не теряют столько тепла, сколько можно предположить из простого термодинамического расширения.

«В солнечном ветре горячие электроны текут от Солнца на очень большие расстояния, очень медленно теряя свою энергию», – сказал Болдырев. «Оказывается, наши результаты очень хорошо согласуются с измерениями профиля температуры солнечного ветра, и они могут объяснить, почему температура электронов снижается с расстоянием так медленно».

Команда была впечатлена тем, насколько хорошо зеркальная машина воссоздала этот сценарий солнечного ветра, и они будут продолжать использовать его в качестве “прокси-сервера” для этого, надеясь открыть некоторые свойства, которые астрономы затем смогут искать в солнечном ветре.

doi.org/10.1073/pnas.1917905117

Вас также может заинтересовать:

Сделаны невероятные фотографии Солнца с самым высоким разрешением