Una máquina de espejos es un reactor de fusión lineal. Permite a los científicos aplicar la investigación en las máquinas para comprender los fenómenos del viento solar. Crédito:Cary Forest / UW-Madison
Cuando se abre un extintor de incendios, el dióxido de carbono comprimido forma cristales de hielo alrededor de la boquilla, proporcionando un ejemplo visual del principio físico de que los gases y plasmas se enfrían a medida que se expanden. Cuando nuestro sol expulsa plasma en forma de viento solar, el viento también se enfría a medida que se expande por el espacio, pero no tanto como predecirían las leyes de la física.
En un estudio publicado el 14 de abril en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison proporcionan una explicación de la discrepancia en la temperatura del viento solar. Sus hallazgos sugieren formas de estudiar los fenómenos del viento solar en laboratorios de investigación y aprender sobre las propiedades del viento solar en otros sistemas estelares.
"La gente ha estado estudiando el viento solar desde su descubrimiento en 1959, pero hay muchas propiedades importantes de este plasma que aún no se comprenden bien, "dice Stas Boldyrev, profesor de física y autor principal del estudio. "Inicialmente, los investigadores pensaron que el viento solar tiene que enfriarse muy rápidamente a medida que se expande desde el sol, pero las mediciones satelitales muestran que cuando llega a la Tierra, su temperatura es 10 veces mayor de lo esperado. Entonces, una pregunta fundamental es:¿Por qué no se enfría? "
El plasma solar es una mezcla fundida de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Debido a este cargo, El plasma solar está influenciado por campos magnéticos que se extienden hacia el espacio, generado debajo de la superficie solar. A medida que el plasma caliente escapa de la atmósfera más externa del sol, su corona, fluye a través del espacio como viento solar. Los electrones del plasma son partículas mucho más ligeras que los iones, por lo que se mueven unas 40 veces más rápido.
Con más electrones cargados negativamente que se alejan, el sol adquiere una carga positiva. Esto dificulta que los electrones escapen de la atracción del sol. Algunos electrones tienen mucha energía y continúan viajando a distancias infinitas. Aquellos con menos energía no pueden escapar de la carga positiva del sol y son atraídos hacia el sol. Como ellos, algunos de esos electrones pueden salirse de sus pistas ligeramente por colisiones con el plasma circundante.
"Hay un fenómeno dinámico fundamental que dice que las partículas cuya velocidad no está bien alineada con las líneas del campo magnético no pueden moverse a una región de un campo magnético fuerte, "Dice Boldyrev." Estos electrones que regresan se reflejan de modo que se alejan del sol, pero de nuevo no pueden escapar debido a la atractiva fuerza eléctrica del sol. Entonces, su destino es rebotar de un lado a otro, creando una gran población de los llamados electrones atrapados ".
En un esfuerzo por explicar las observaciones de temperatura en el viento solar, Boldyrev y sus colegas, Los profesores de física de UW-Madison, Cary Forest y Jan Egedal, miraron a un pariente, pero distinto, campo de la física del plasma para una posible explicación.
El viento solar provoca eventos como auroras, como esta fotografiada por un astronauta estadounidense después de acoplarse a la Estación Espacial Internacional. También puede interferir con las comunicaciones por satélite y distorsionar el campo magnético de la tierra. Crédito:NASA
Alrededor de la época en que los científicos descubrieron el viento solar, Los investigadores de la fusión de plasma estaban pensando en formas de confinar el plasma. Desarrollaron "máquinas de espejos, "o líneas de campo magnético llenas de plasma en forma de tubos con extremos pinzados, como botellas con cuellos abiertos en cada extremo.
As charged particles in the plasma travel along the field lines, they reach the bottleneck and the magnetic field lines are pinched. The pinch acts as a mirror, reflecting particles back into the machine.
"But some particles can escape, y cuando lo hagan, they stream along expanding magnetic field lines outside the bottle. Because the physicists want to keep this plasma very hot, they want to figure out how the temperature of the electrons that escape the bottle declines outside this opening, " Boldyrev says. "It's very similar to what's happening in the solar wind that expands away from the sun."
Boldyrev and colleagues thought they could apply the same theory from the mirror machines to the solar wind, looking at the differences in the trapped particles and those that escape. In mirror machine studies, the physicists found that the very hot electrons escaping the bottle were able to distribute their heat energy slowly to the trapped electrons.
"In the solar wind, the hot electrons stream from the sun to very large distances, losing their energy very slowly and distributing it to the trapped population, " Boldyrev says. "It turns out that our results agree very well with measurements of the temperature profile of the solar wind and they may explain why the electron temperature declines with the distance so slowly, " Boldyrev says.
The accuracy with which mirror machine theory predicts solar wind temperature opens the door for using them to study solar wind in laboratory settings.
"Maybe we'll even find some interesting phenomena in those experiments that space scientists will then try to look for in the solar wind, " Boldyrev says. "It's always fun when you start doing something new. You don't know what surprises you'll get."
