Ученые объяснили высокую температуру солнечного ветра

Когда работает огнетушитель, диоксид углерода, вырывающийся из него, образует вокруг сопла кристаллы, похожие на лед. Это наглядно демонстрирует физический принцип, согласно которому газ и плазма при расширении охлаждаются. Солнечный ветер — исходящий из короны поток гелиево-водородной плазмы — ведет себя так же. Однако его охлаждение происходит не так интенсивно, как предсказывают физические законы.

В статье, опубликованной в издании Proceedings of the National Academy of Sciences, физики из Висконсинского университета в Мэдисоне дают объяснение необычным свойствам этого потока. «Люди изучали солнечный ветер с момента его открытия в 1959 году, но есть много важных свойств этой плазмы, которые до сих пор не совсем понятны, — говорит Стас Болдырев, ведущий автор исследования. — Изначально исследователи думали, что солнечный ветер должен очень быстро остывать при удалении от Солнца, но спутниковые измерения показывают, что при достижении Земли его температура в 10 раз превышает ожидаемую. Итак, фундаментальный вопрос: почему он не остывает?»

Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия. Этот поток частиц подвержен влиянию магнитных полей, генерируемых под поверхностью Солнца. Электроны, как самые легкие частицы, движутся быстрее остальных. Некоторые из них, у которых больше энергии, путешествуют практически на бесконечные расстояния. Другие электроны не могут оторваться далеко от звезды и в определенный момент начинают возвращаться обратно: при этом их траектории могут заметно меняться при взаимодействии с другими компонентами солнечного ветра.

«Частицы, вектор скорости которых отклоняется от линий магнитного поля, не могут перемещаться в область сильного поля», — поясняет Болдырев. Это значит, что некоторые электроны не возвращаются обратно к центру звезды, а пополняют популяцию так называемых захваченных частиц. «Их судьба — постоянно прыгать туда-сюда», — лаконично подытоживает ученый.

Оказалось, именно этот эффект лежит в основе феномена медленного остывания солнечного ветра. А понять это ученым помогли эксперименты по удержанию плазмы. Для опытов были построены специальные аппараты, в которых частицы проходили через своеобразное «бутылочное горлышко» магнитного поля, где силовые линии приближались друг к другу. Часть электронов прорывается дальше, но большинство из них отражается обратно внутрь машины.

Изучение процессов, проходящих внутри аппаратов для удержания плазмы, показали, что высокоэнергетические электроны — образно говоря, самые горячие — способны очень медленно перераспределять свою энергию по захваченным электронам, нагревая их. По словам ученых, эти результаты хорошо согласуются с данными измерений температуры солнечного ветра.