在實驗室裡造一個太陽:物理學家成功模擬太陽風

2020-11-22 騰訊網

來源 公眾號「原理」

撰文 不二北鬥

太陽的秘密

我們的宇宙隱藏著許多不為人知的秘密，即使是熟悉如太陽這樣的天體也有著諸多的未解之謎。

在太陽的可見表面之上，由帶電粒子組成的熱氣會一直延伸到太空之中，形成太陽過熱的外層，其中就包括條紋狀的日冕在內。當日全食時，這些日冕看起來就像是獅子的鬃毛。某些過程將日冕中的等離子體加熱到數百萬度的高溫，使它們以太陽風的形式遠離太陽。但我們仍無法確切的知道這些等離子體究竟是如何逃離太陽磁場的。

其實，與太陽有關的許多懸而未決的問題最終都可歸結於它的磁場，因為磁場支配著太陽的大部分活動。太陽的磁場形成了巨大的磁環，將等離子體困住。其中有一些較小的磁環可以完全融入太陽的日冕中，而另一些磁環則能延伸到太陽系的邊緣。

太陽磁場會將等離子體困在磁環中。| 圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center

太陽風幾乎影響著太陽系中的一切，比如它可以破壞人造衛星的正常運作，也能導致極光的產生。太陽風雖變化無常，但本質上可分為兩種類型——快太陽風和慢太陽風。隨著延伸到太陽系外圍的磁環而逃離太陽的等離子體成為了快太陽風。一些太空任務已經很好地記錄了快太陽風的來源。

科學家認為，等離子體團也可以從較小的磁環中爆發出來，從而產生慢太陽風。這些磁環會斷裂並在一個叫做「重新連接」的過程中再次相連，從而使一些原本被困住的等離子體脫落。但是，關於這種磁重聯是在哪裡發生的以及如何發生細節，我們卻不得而知。

因此，研究人員決定要在實驗室中用一個等離子體球來重現太陽的磁場結構。在一項新的研究中，威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家就成功地在實驗室裡模擬了太陽風，證實了太陽風是如何發展的。研究結果發表於《自然物理》雜誌上。

如何在實驗室中製造太陽？

從本質上看，太陽是一個由熱等離子體組成的大球。當太陽自轉時，等離子體也隨之旋轉，運動的等離子體產生了磁場，充滿了太陽的整個大氣層。

條形磁鐵（或者說偶極子）是最簡單的太陽磁場模型，它具有南北兩極，磁場會從一極延伸到另一極。當然，太陽比條形磁鐵要複雜得多。太陽的旋轉會將它的磁場扭曲成一種被稱為帕克螺旋（Parker spiral）的漩渦模式。來自太陽的等離子體流會像橡皮筋一樣牽引著磁場的某些部分，將這些磁環一路拉到太陽系的邊緣。

太陽的旋轉會扭曲它的磁場，使它的變成一種名為「帕克螺旋」的形狀。| 圖片來源：Werner Heil

研究人員雖然可能無法直接接觸到太陽的等離子體，但他們卻在實驗室中建造了一個「微型太陽」。這是一個寬 3 米的空心「大紅球」，在球體的中心有一個寬 10 釐米、高 10 釐米的圓柱形磁體，裡面有各種各樣的探針。接著，研究人員向球體中填充入用氦氣製成的等離子體，再施加電流和磁場以攪動等離子體。這些步驟創造出了與太陽的旋轉等離子體和電磁場完美近似的模擬。

等離子體「大紅球」實驗裝置。| 圖片來源：JEFF MILLER

利用這項技術，研究人員首先重現了帕克螺旋的形狀。雖然一些衛星任務已經探測到了與帕克螺旋模型非常一致的結果，但衛星一次只能在一個點上進行測量。但在新的實驗中，研究人員可以在大紅球內的許多點進行測量，從而能同時繪製出大規模的帕克螺旋圖。

研究人員還用實驗模擬了太陽周圍的區域，那裡的等離子體處於不穩定的平衡狀態。在這個邊界內，等離子體被磁場所包含；但在邊界之外，由太陽旋轉而產生的離心力超過了磁場，因此等離子體會向外流動。如果等離子體旋轉得足夠劇烈，它們就能在離心力的作用下旋轉出去。

帕克螺旋是太陽風繞太陽旋轉形成的形狀。研究人員在實驗室中模擬了這種等離子體螺旋。右邊的動圖顯示了一個較小的帕克螺旋出現在一個等離子體球體中。| 圖片來源：ScienceNews

除此之外，在新的實驗中，物理學家還研究了太陽等離子體為什麼會「打嗝」。「打嗝」是一種周期性的小型等離子體噴射，它能為慢太陽風提供原料。過去的一些衛星任務探測到過這類噴射，但沒有人知道這種噴射是由什麼驅動的。而這次研究人員在實驗中發現了非常相似的打嗝現象，並確定了它們會如何演化。

為何研究真實的太陽會如此困難?

在新的實驗中，研究人員將整個太陽系都裝進了一個 3 米寬的球裡，這使他們能更好地理解太陽的全局。因為對於衛星任務來說，一個探測器一次只能處於在一個地方。無論它是為了讓研究人員更好地了解太陽風的結構而拍攝太陽風的照片，還是測量磁場的強度和飄過的粒子，它都只能探測太陽環境的一小部分。這使得研究人員無法對太陽環境中的任何地方進行樣品採集。

雖然新的實驗是對衛星觀測的一個非常好的補充，但這絕不表明它可以替代衛星任務。實際上，由於地球上的實驗條件必然存在有別於太陽的地方，因此這個模型的某些方面並不能如實地反映太陽日冕和太陽風的組成，例如實驗中所具有的等離子體密度，以及帶電粒子和中性粒子的比例等等。

不過，這項實驗仍然為我們提供了很多信息。它所重現的許多太陽的行為使它成為了一個非常有前景的實驗。它證實了太陽風是如何發展的，並為未來的太陽物理學研究提供了一個實驗室模型，讓研究人員在實驗室也能了解太陽的一些過程的基本物理原理。

2018 年 8 月，帕克太陽能探測器發射升空，據預計，它有可能能抵達到阿爾文表面以下，從而對太陽風進行前所未有的直接觀測。在未來的幾年內，帕克太陽探測器將環繞太陽運行，它將會穿過日冕並收集數據，屆時，就可以將收集到的觀測數據與實驗室的結果進行比較了。如果在實驗室中看到的東西是對的，那麼帕克太陽探測器也將看到。

參考來源：

https://news.wisc.edu/researchers-recreate-the-suns-solar-wind-and-plasma-burps-on-earth/

https://www.quantamagazine.org/suns-puzzling-plasma-recreated-in-a-laboratory-20190729/

https://www.sciencenews.org/article/physicists-solar-wind-inside-lab?tgt=nr

本文轉載自公眾號「原理」

（ID: principia1687）

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