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物理学家首次在实验室中重现了螺旋太阳风

2019-7-31 14:40:17来源:原理微信公众号作者:不二北斗责编:远洋评论:

1.太阳的秘密

我们的宇宙隐藏着许多不为人知的秘密,即使是熟悉如太阳这样的天体也有着诸多的未解之谜。

在太阳的可见表面之上,由带电粒子组成的热气会一直延伸到太空之中,形成太阳过热的外层,其中就包括条纹状的日冕在内。当日全食时,这些日冕看起来就像是狮子的鬃毛。某些过程将日冕中的等离子体加热到数百万度的高温,使它们以太阳风的形式远离太阳。但我们仍无法确切的知道这些等离子体究竟是如何逃离太阳磁场的。

其实,与太阳有关的许多悬而未决的问题最终都可归结于它的磁场,因为磁场支配着太阳的大部分活动。太阳的磁场形成了巨大的磁环,将等离子体困住。其中有一些较小的磁环可以完全融入太阳的日冕中,而另一些磁环则能延伸到太阳系的边缘。

○ 太阳磁场会将等离子体困在磁环中。| 图片来源:NASA’s Goddard Space Flight Center

太阳风几乎影响着太阳系中的一切,比如它可以破坏人造卫星的正常运作,也能导致极光的产生。太阳风虽变化无常,但本质上可分为两种类型——快太阳风和慢太阳风。随着延伸到太阳系外围的磁环而逃离太阳的等离子体成为了快太阳风。一些太空任务已经很好地记录了快太阳风的来源。

科学家认为,等离子体团也可以从较小的磁环中爆发出来,从而产生慢太阳风。这些磁环会断裂并在一个叫做“重新连接”的过程中再次相连,从而使一些原本被困住的等离子体脱落。但是,关于这种磁重联是在哪里发生的以及如何发生细节,我们却不得而知。

因此,研究人员决定要在实验室中用一个等离子体球来重现太阳的磁场结构。在一项新的研究中,威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家就成功地在实验室里模拟了太阳风,证实了太阳风是如何发展的。研究结果发表于《自然物理》杂志上。

2.如何在实验室中制造太阳?

从本质上看,太阳是一个由热等离子体组成的大球。当太阳自转时,等离子体也随之旋转,运动的等离子体产生了磁场,充满了太阳的整个大气层。

条形磁铁(或者说偶极子)是最简单的太阳磁场模型,它具有南北两极,磁场会从一极延伸到另一极。当然,太阳比条形磁铁要复杂得多。太阳的旋转会将它的磁场扭曲成一种被称为帕克螺旋(Parker spiral)的漩涡模式。来自太阳的等离子体流会像橡皮筋一样牵引着磁场的某些部分,将这些磁环一路拉到太阳系的边缘。

○ 太阳的旋转会扭曲它的磁场,使它的变成一种名为“帕克螺旋”的形状。| 图片来源:Werner Heil

研究人员虽然可能无法直接接触到太阳的等离子体,但他们却在实验室中建造了一个“微型太阳”。这是一个宽3米的空心“大红球”,在球体的中心有一个宽10厘米、高10厘米的圆柱形磁体,里面有各种各样的探针。接着,研究人员向球体中填充入用氦气制成的等离子体,再施加电流和磁场以搅动等离子体。这些步骤创造出了与太阳的旋转等离子体和电磁场完美近似的模拟。

○ 等离子体“大红球”实验装置。| 图片来源:JEFF MILLER

利用这项技术,研究人员首先重现了帕克螺旋的形状。虽然一些卫星任务已经探测到了与帕克螺旋模型非常一致的结果,但卫星一次只能在一个点上进行测量。但在新的实验中,研究人员可以在大红球内的许多点进行测量,从而能同时绘制出大规模的帕克螺旋图。

研究人员还用实验模拟了太阳周围的区域,那里的等离子体处于不稳定的平衡状态。在这个边界内,等离子体被磁场所包含;但在边界之外,由太阳旋转而产生的离心力超过了磁场,因此等离子体会向外流动。如果等离子体旋转得足够剧烈,它们就能在离心力的作用下旋转出去。

○ 帕克螺旋是太阳风绕太阳旋转形成的形状。研究人员在实验室中模拟了这种等离子体螺旋。右边的动图显示了一个较小的帕克螺旋出现在一个等离子体球体中。| 图片来源:ScienceNews

除此之外,在新的实验中,物理学家还研究了太阳等离子体为什么会“打嗝”。“打嗝”是一种周期性的小型等离子体喷射,它能为慢太阳风提供原料。过去的一些卫星任务探测到过这类喷射,但没有人知道这种喷射是由什么驱动的。而这次研究人员在实验中发现了非常相似的打嗝现象,并确定了它们会如何演化。

3. 为何研究真实的太阳会如此困难?

在新的实验中,研究人员将整个太阳系都装进了一个3米宽的球里,这使他们能更好地理解太阳的全局。因为对于卫星任务来说,一个探测器一次只能处于在一个地方。无论它是为了让研究人员更好地了解太阳风的结构而拍摄太阳风的照片,还是测量磁场的强度和飘过的粒子,它都只能探测太阳环境的一小部分。这使得研究人员无法对太阳环境中的任何地方进行样品采集。

虽然新的实验是对卫星观测的一个非常好的补充,但这绝不表明它可以替代卫星任务。实际上,由于地球上的实验条件必然存在有别于太阳的地方,因此这个模型的某些方面并不能如实地反映太阳日冕和太阳风的组成,例如实验中所具有的等离子体密度,以及带电粒子和中性粒子的比例等等。

不过,这项实验仍然为我们提供了很多信息。它所重现的许多太阳的行为使它成为了一个非常有前景的实验。它证实了太阳风是如何发展的,并为未来的太阳物理学研究提供了一个实验室模型,让研究人员在实验室也能了解太阳的一些过程的基本物理原理。

2018年8月,帕克太阳能探测器发射升空,据预计,它有可能能抵达到阿尔文表面以下,从而对太阳风进行前所未有的直接观测。在未来的几年内,帕克太阳探测器将环绕太阳运行,它将会穿过日冕并收集数据,届时,就可以将收集到的观测数据与实验室的结果进行比较了。如果在实验室中看到的东西是对的,那么帕克太阳探测器也将看到。

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关键词:太阳风

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