太陽風為何比預期更「火熱」?最新研究成果給出了答案

2020-12-03 天文在線

回歸物理學基本原理，探索太陽風溫度差異背後的奧秘

當打開滅火器的閥門時，壓縮的二氧化碳在噴嘴上會形成冰晶，這正是氣體和等離子體在膨脹時經歷降溫後，其物理現象原理的可視例證。

當太陽發散等離子體時，就形成了太陽風，當它向太空擴散時會經歷降溫，只不過降溫過程比物理現象原理所預期的要更晚一些。

在《美國科學院學報》刊登的一份研究報告中，威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家們解釋了為何太陽風的溫度與預期溫度存在差異。他們發現並提出了在實驗室中研究太陽風現象的方法，以及如何通過其他恆星系統來了解太陽風的特性。

「自從1959年發現太陽風以來，人們就一直在研究太陽風，但仍然對等離子體的許多重要特性不太了解，」 該研究的主要作者，物理學教授Stas Boldyrev說。「最初，研究者以為太陽風從太陽發散後應該會迅速降溫，而星測量結果卻表明，當它到達地球後，它的溫度比預期的要高出10倍。因此，我們有一個基本問題需要解答：為什麼它沒有冷卻下來？」

太陽風會引發類似極光這樣的現象，就像美國太空人與空間站對接後拍攝到的照片這樣。它還會干擾衛星通訊，扭曲地球磁場。

太陽等離子體是負電荷電子和正電荷離子產生的融熔混合物。由於這種電荷，太陽等離子體受到在太陽表面下產生並延伸到太空中的磁場的影響。當熱等離子體從太陽的最外層大氣—日冕溢出時，它流進太空中，成為太陽風。等離子體中的電子粒子比離子粒子輕得多，因此它們的移動速度快了將近40倍。

隨著更多負電荷電子的流失後，太陽呈現正電荷。這讓電子更難逃脫太陽的拉力。一些擁有巨大能量的電子將以無限距離遠離太陽，而那些能量較少的電子將因無法逃脫太陽的正電荷而被重新吸引回到太陽。在這個過程中，一些電子可能會因為被周圍環繞的等離子體碰撞而輕微脫離原來的運行軌道。

「一個基礎的動力學現象表明，當一個粒子的速度方向不與磁場線一致時，就無法進入強磁場區域。」 Boldyrev說，「這樣電子被反彈回來從而飛離太陽，但由於太陽的電場引力他們並不能繼續逃離。所以，他們註定來回彈動，從而產生了大量所謂的捕獲電子。」

為了解釋太陽風暴中的溫度觀測，Boldyrev及其同事威斯康辛大學麥迪遜分校物理學教授Cary Forest和Jan Egedal 藉助了等離子體物理學中一個相關又不同的領域來作可能的解釋。

在科學家們發現太陽風的時候，等離子體核聚變研究者正在考慮如何限制等離子體。他們開發了「鏡子機器」，一個充滿等離子體的磁場線圈，形狀像兩端收縮的管子，又像兩端都有開口的瓶子。

當等離子體中的帶電粒子通過磁場線到達瓶頸，瓶頸處磁感線收縮。收縮處就像一個鏡子，粒子被反彈回機器。

「但有一些粒子能夠逃脫，他們隨著瓶子外擴展的磁感線流出。因為物理學家想要保持等離子很熱，他們想要算出脫離瓶子的電子溫度在開口外是如何下降的，」 Boldyrev說，「這和太陽風中所發生的粒子遠離太陽很相似。」

鏡子機器是個線性核聚變反應器。它使得科學家們將機器中的研究應用到太陽風暴現象的理解上來。

Boldyrev和同事認為他們可以應用鏡子機器中同樣的理論到太陽風暴中，來觀察捕獲粒子和那些逃脫的粒子之間的不同。在鏡子機器研究中，物理學家們發現從瓶子逃脫的超熱電子能夠慢慢分散他們的熱能給捕獲電子。

「在太陽風暴中，熱電子從太陽飛離到很遠的地方，慢慢損失了能量並將其分散給捕獲粒子，」 Boldyrev說，「事實證明我們的結果與太陽風暴的溫度剖面測量很好地吻合，而且他們可能解釋為什麼電子溫度隨距離慢慢下降。」 Boldyrev說。

鏡機理論的準確度預測了太陽風的溫度，這為我們在實驗室環境中使用機器去研究太陽系開闢了新路徑。「也許我們會在這些空間科學家接下來的的實驗——探索太陽風中發現一些有趣的現象」，波爾德列夫說，「你開始嘗試新鮮事的時候總是很有趣。你不知道會有什麼驚喜等著你。」

太陽風是一股由太陽系高層大氣釋放出的帶電荷的粒子，也被叫做「光暈」。這個等離子體主要由電子、質子和運動速度在0.5到10千電子伏特的α粒子組成。太陽風粒子的構成還包括發現於太陽系粒子的材料混合物：查找到大量的重金屬和碳、氮、氧、氖、鎂、矽、硫和鐵原子核。也有罕見追蹤到其它一些原子核和同位素，例如磷、鈦、鉻、鎳、鐵54和56、鎳58，60，62。嵌入太陽風粒子的是行星間的磁場。太陽風隨著時間和空間經度緯度的變化在密度、溫度和速度方面有差異。粒子由於光暈的高溫而產生的高速度使得它們可以擺脫太陽的重力，這反過來又是光暈磁場的結果。

太陽風和太陽之間的距離超過太陽系幾個半徑，太陽風達到了每秒鐘250到750千米的速度，並且是超聲速的，這意味著它的移動速度要比高速磁聲波的速度更快。在面對終端激波時，太陽風的流動就不再是超聲速的了。2007年8月30日至12月10日，旅行者二號宇宙飛船超過五次穿越了這場激波。旅行者二號在距離太陽將近10億千米的地方穿越了這場激波，比旅行者一號135億千米遇到終止衝擊的距離更近。宇宙飛船向外移動穿過終端激波到達日球層鞘，繼續駛向星際介質。另一個相關的現象包括極光（南極光和北極光），永遠指向背離太陽方向的彗星尾，還有可以改變磁場線方向的磁暴。

作者：Sarah Perdue

FY：Astronomical volunteer team

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