Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Khi mặt trời trục xuất plasma, gió mặt trời nguội đi khi nó mở rộng trong không gian – nhưng không nhiều như các định luật vật lý đã từng dự đoán. Giờ đây, các nhà vật lý đã biết lý do và giải đáp bí ẩn này.
Khi một bình chữa cháy được mở ra, carbon dioxide nén tạo thành các tinh thể băng xung quanh vòi phun, cung cấp một ví dụ trực quan về nguyên lý vật lý rằng khí và plasma làm mát khi chúng giãn nở. Khi mặt trời của chúng ta trục xuất plasma dưới dạng gió mặt trời, gió cũng nguội đi khi nó mở rộng trong không gian – nhưng không nhiều như các định luật vật lý đã từng dự đoán.
Trong một nghiên cứu được công bố vào ngày 14 tháng 4 trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia , các nhà vật lý của Đại học Wisconsin-Madison đưa ra lời giải thích cho sự khác biệt về nhiệt độ gió mặt trời. Phát hiện của họ cho thấy các cách để nghiên cứu hiện tượng gió mặt trời trong phòng thí nghiệm nghiên cứu và tìm hiểu về tính chất của gió mặt trời trong các hệ sao khác.
Stas Boldyrev, giáo sư vật lý và tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Mọi người đã nghiên cứu gió mặt trời kể từ khi phát hiện vào năm 1959, nhưng có nhiều tính chất quan trọng của plasma này vẫn chưa được hiểu rõ”. “Ban đầu, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng gió mặt trời phải hạ nhiệt rất nhanh khi nó nở ra từ mặt trời nhưng các phép đo vệ tinh cho thấy khi tới Trái đất, nhiệt độ của nó lớn hơn 10 lần so với dự kiến. Vì vậy, một câu hỏi cơ bản là: Tại sao không Nó nguội đi? “
Plasma mặt trời là hỗn hợp nóng chảy của các electron tích điện âm và các ion tích điện dương. Do điện tích này được tạo ra bên dưới bề mặt mặt trời nên plasma mặt trời bị ảnh hưởng bởi các từ trường kéo dài vào không gian. Khi plasma nóng thoát ra khỏi bầu khí quyển ngoài cùng của mặt trời, corona của nó, nó chảy trong không gian dưới dạng gió mặt trời. Các electron trong plasma là các hạt nhẹ hơn nhiều so với các ion, vì vậy chúng di chuyển nhanh hơn khoảng 40 lần.
Với các electron tích điện âm hơn phát đi, mặt trời mang điện tích dương. Điều này làm cho các electron khó thoát khỏi lực cản của mặt trời hơn. Một số điện tử có rất nhiều năng lượng và tiếp tục di chuyển trong khoảng cách vô tận. Những người có ít năng lượng hơn không thể thoát khỏi điện tích dương của mặt trời và bị thu hút trở lại mặt trời. Khi chúng làm như vậy, một số các electron đó có thể bị đánh bật khỏi đường ray của chúng từng chút một do va chạm với plasma xung quanh.
“Có một hiện tượng động học cơ bản nói rằng các hạt có vận tốc không thẳng hàng với các đường sức từ không thể di chuyển vào vùng có từ trường mạnh”, Boldyrev nói. “Các electron quay trở lại như vậy được phản xạ sao cho chúng bay xa khỏi mặt trời, nhưng một lần nữa chúng không thể thoát ra vì lực điện hấp dẫn của mặt trời. Vì vậy, định mệnh của chúng là phải nảy qua lại, tạo ra một quần thể lớn được gọi là bị mắc kẹt điện tử. “
Trong nỗ lực giải thích các quan sát nhiệt độ trong gió mặt trời, Boldyrev và các đồng nghiệp của mình, các giáo sư vật lý của UW-Madison Cary Forest và Jan Egedal đã tìm đến một lĩnh vực vật lý plasma có liên quan nhưng khác biệt để giải thích.
Trong khoảng thời gian các nhà khoa học phát hiện ra gió mặt trời, các nhà nghiên cứu hợp hạch plasma đã nghĩ ra cách để giam cầm plasma. Họ đã phát triển “máy nhân bản” hoặc các đường sức từ chứa đầy plasma có hình dạng như những cái ống có đầu bị chèn ép, giống như những cái chai có cổ mở ở hai đầu.
Khi các hạt tích điện trong plasma di chuyển dọc theo các đường trường, chúng chạm tới nút cổ chai và các đường sức từ bị chèn ép. Các nhúm hoạt động như một tấm gương, phản chiếu các hạt trở lại vào máy.
Nhưng một số hạt có thể thoát ra và khi chúng bay, chúng chảy dọc theo các đường sức từ bên ngoài chai. Vì các nhà vật lý muốn giữ plasma này rất nóng, họ muốn tìm hiểu xem nhiệt độ của các electron thoát khỏi chai giảm như thế nào ngoài ‘buổi khai mạc’ này. Nó rất giống với những gì xảy ra trong gió mặt trời mở rộng ra khỏi mặt trời.
Boldyrev và các đồng nghiệp nghĩ rằng họ có thể áp dụng lý thuyết tương tự từ các máy nhân bản cho gió mặt trời, xem xét sự khác biệt trong các hạt bị mắc kẹt và những hạt thoát ra. Trong các nghiên cứu về máy gương, các nhà vật lý phát hiện ra rằng các electron rất nóng thoát ra khỏi chai có thể phân phối năng lượng nhiệt của chúng từ từ đến các electron bị bẫy.
“Trong gió mặt trời, các electron nóng chảy từ mặt trời đến khoảng cách rất lớn, mất năng lượng rất chậm và phân phối nó cho số electron bị mắc kẹt”, Boldyrev chia sẻ. “Hóa ra kết quả của chúng tôi rất phù hợp với các phép đo cấu hình nhiệt độ của gió mặt trời và chúng có thể giải thích tại sao nhiệt độ điện tử giảm với khoảng cách quá chậm”.
Độ chính xác mà lý thuyết máy gương dự đoán nhiệt độ gió mặt trời mở ra cơ hội cho việc sử dụng chúng để nghiên cứu gió mặt trời trong môi trường phòng thí nghiệm.
Có lẽ chúng ta thậm chí sẽ tìm thấy một số hiện tượng thú vị trong các thí nghiệm mà các nhà khoa học vũ trụ sau đó sẽ cố gắng tìm kiếm trong gió mặt trời. Thật thú vị khi bạn bắt đầu làm một cái gì đó mới. Bạn không biết những gì sẽ làm bạn ngạc nhiên sau đó.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Wisconsin-Madison . Bản gốc được viết bởi Sarah Perdue. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :