最新研究有助于解释为什么太阳风比预期的要热

打开灭火器后，压缩的二氧化碳在喷嘴周围形成冰晶，这是气体和等离子膨胀时冷却的物理原理的直观示例。当我们的太阳以太阳风的形式排出等离子时，风也会随着其在太空中的扩散而变凉-但远不及物理定律所预测的那么大。

在 发表的一项研究 在美国国家科学院的诉讼中，威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家的大学提供了在太阳风的温度差异的解释。他们的发现提出了在研究实验室中研究太阳风现象并了解其他恒星系统中太阳风特性的方法。

这项研究的主要作者，物理学教授Stas Boldyrev说：“人们自1959年发现太阳风以来就一直在研究它，但是这种等离子体有许多重要的性质还没有得到很好的理解 。” “最初，研究人员认为，随着太阳风的扩散，太阳风必须非常迅速地冷却，但是卫星测量结果表明，到达地球后，太阳风的温度比预期高10倍。因此，一个基本的问题是：为什么它没有冷却下来?”

太阳等离子体是带负电的电子和带正电的离子的熔融混合物。由于这种电荷，太阳等离子体受到在太阳表面下方产生的延伸到太空中的磁场的影响。当热等离子体从太阳的最外层大气(即日冕)逸出时，它像太阳风一样流经太空。等离子体中的电子比离子轻得多，因此它们的移动速度快40倍左右。

随着更多带负电荷的电子流走，太阳呈现正电荷。这使电子更难逃脱太阳的拉力。一些电子具有很多能量，并且可以无限传播。那些能量较少的人无法逃脱太阳的正电荷，而被吸引回太阳。这样做时，其中一些电子可能会因与周围等离子体碰撞而被轻微地击落。

“存在一种基本的动力学现象，即速度与磁场线不完全对准的粒子无法移入强磁场区域，” Boldyrev说。“这些返回的电子被反射，使它们从太阳流走，但是由于太阳的吸引力，它们再也无法逃脱。因此，它们的命运是来回反弹，从而产生大量所谓的被困电子。”

为了解释太阳风中的温度观测结果，Boldyrev和他的同事，威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授 Cary Forest 和 Jan Egedal 着眼于相关但又截然不同的等离子体物理学领域，以寻求可能的解释。

在科学家发现太阳风的那段时间，等离子体聚变研究人员正在思考限制等离子体的方法。他们开发了“镜子机器”或等离子填充的磁力线，这些磁力线的形状像管子一样，两端都被挤压，就像两端都开口的瓶子一样。

当等离子体中的带电粒子沿着磁力线传播时，它们到达瓶颈，并且磁力线被挤压。捏起镜子的作用，将颗粒反射回机器中。

“但是有些颗粒可以逸出，当它们逸出时，它们沿着瓶外不断扩大的磁力线流动。因为物理学家希望使等离子体保持非常热，所以他们想弄清楚逃逸到瓶子外的电子的温度如何在此开口之外下降。” Boldyrev说。“这与太阳风向远离太阳的方向发展非常相似。”

博尔德列夫及其同事认为，他们可以将镜子机器中的相同理论应用于太阳风，研究被困粒子和逃逸粒子之间的差异。在镜子机器的研究中，物理学家发现逃逸到瓶子中的非常热的电子能够将其热能缓慢地分配给捕获的电子。

博尔德列夫说：“在太阳风中，热电子从太阳流到很远的距离，失去非常缓慢的能量，并将其分配给被困的人口。” “事实证明，我们的结果与太阳风温度曲线的测量非常吻合，并且可以解释为什么电子温度随距离的下降如此缓慢，” Boldyrev说。

镜像机器理论预测太阳风温度的准确性为在实验室环境中使用机器研究太阳风打开了大门。

“也许我们甚至会在那些实验中发现一些有趣的现象，然后太空科学家将尝试在太阳风中寻找它们，”博尔德列夫说。“当您开始做新的事情时，总是很有趣。您不知道会得到什么惊喜。”