离火堆越远应该越凉,这是常识。可太阳偏偏反着来:越往外,越烫。
太阳的可见表面大约 5500 °C,而它外面那层稀薄的大气——日冕,温度可以超过 100 万 °C。一层薄薄的外壳,比它包着的那个大火球热上几百倍。能量从哪来?这个问题,科学家琢磨了几十年。
最近,中国的研究团队在实验室里演示了一个过程,可能有助于解释其中一部分热量是怎么来的。相关研究发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。
先把太阳的"体质"说清楚。太阳里充满等离子体——一种由带电粒子组成的状态,磁场像线一样穿行其中。当方向相反的两组磁场碰到一起、重新连接,原本储存的能量就会被释放出来,把粒子加热。这个过程叫磁重联。
问题在于:这些磁场要怎么才能凑到一起?
研究团队把目光投向一种叫纳米耀斑的猜想。科学家怀疑,太阳上无数微小的耀斑如果加在一起,或许能共同维持日冕的温度。这次实验探究的,就是其中一些事件可能的触发方式。
他们在上海的神光-II 激光装置上做了这样一件事:用激光打在一块表面带有细密波纹的靶上。脉冲只持续十亿分之一秒,把靶上的物质变成了等离子体。
接下来是有意思的部分。等离子体向外膨胀,冲进周围密度低得多的空气里,速度慢下来,边界上的波纹就长成了手指状和蘑菇状的结构——这种现象叫瑞利-泰勒不稳定性。
这些"手指"周围,等离子体自己生出了磁场,相邻结构的磁场方向正好相反。计算机模拟显示,膨胀的手指把这些磁场带到了一起,让它们重联,加热了周围的等离子体。
为了对照,他们用一块平整的靶重做了一遍。这次等离子体流得更平滑,没有长出那些手指状结构。
通过分析等离子体发出的 X 射线,团队估算了其中电子的温度。带波纹靶的那次,电子峰值温度明显更高;平整靶测到的数值大约只有它的一半。
还有一项独立的计算机模拟:在不让磁场形成的条件下,那部分额外的加热基本消失了。这进一步支持了磁场在其中的作用。
那太阳上会不会真的发生类似的事?研究人员提出,在相对冷而密的等离子体穿过周围大气往下落的地方,可能形成类似的边界——这种现象叫日冕雨,不稳定性也许就在那里发展起来。
这项实验的价值,在于给科学家提供了一种手段:太阳上的这些过程太小、太快,看不清;在实验室里,则可以测试什么样的条件能把磁场凑到一起,以及能量释放后加热等离子体的效率有多高。
当然,边界也要说清楚。实验室里的等离子体密度高得多,整个过程的时间尺度也比太阳上的纳米耀斑短得多。团队比较了几个关键物理比值,来判断哪些方面可能适用于日冕,但这个装置并没有复现太阳完整的磁场能量积累过程。
换句话说,这些发现支持了一种可能有助于加热日冕的机制,但它在太阳上多久发生一次、贡献了多少热量,还需要更多观测和实验来确定。
太阳的这团"反常热气"还没结案。不过这一次,答案的线索是从地球上的一束激光里冒出来的。
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