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 los plasmas se enfrían a medida que se expanden. Cuando nuestro sol expulsa plasma en forma de viento solar, elel viento también se enfría a medida que se expande a través del espacio, pero no tanto como lo predecirían las leyes de la física.
En un estudio publicado el 14 de abril en el Actas 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 los laboratorios de investigación y conocer 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 todavía no se conocen 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 a medida que llega a la Tierra, su temperatura es 10 veces mayor de lo esperado. Entonces, una pregunta fundamental es: ¿por qué no?¿enfriarse?"
El plasma solar es una mezcla fundida de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Debido a esta carga, el plasma solar está influenciado por campos magnéticos que se extienden en el espacio, generados 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 en el plasma son partículas mucho más livianas que los iones, por lo que se mueven aproximadamente 40 veces más rápido.
Con más electrones cargados negativamente, el sol adquiere una carga positiva. Esto hace que sea más difícil para los electrones escapar de la atracción del sol. Algunos electrones tienen mucha energía y siguen viajando por distancias infinitas. Aquellos con menos energía puedenno escapen de la carga positiva del sol y sean atraídos de regreso al Sol. Mientras lo hacen, algunos de esos electrones pueden ser desviados de sus pistas muy ligeramente por colisiones con el plasma circundante.
"Existe 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. "Tales electrones de retorno se reflejan de manera quese alejan del sol, pero nuevamente no pueden escapar debido a la atractiva fuerza eléctrica del Sol. Por lo tanto, 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 buscaron una posible explicación en un campo relacionado, pero distinto, de física de plasma.
Alrededor de la época en que los científicos descubrieron el viento solar, los investigadores de fusión de plasma estaban pensando en formas de confinar el plasma. Desarrollaron "máquinas espejo" o líneas de campo magnético llenas de plasma con forma de tubos con extremos pellizcados, como botellas con cuellos abiertos en cada extremo.
A medida que las partículas cargadas en el plasma viajan a lo largo de las líneas de campo, alcanzan el cuello de botella y las líneas del campo magnético se pellizcan. La pizca actúa como un espejo, reflejando las partículas nuevamente dentro de la máquina.
"Pero algunas partículas pueden escapar, y cuando lo hacen, fluyen a lo largo de líneas de campo magnético en expansión fuera de la botella. Debido a que los físicos quieren mantener este plasma muy caliente, quieren descubrir cómo la temperatura de los electrones que escapan del"Boldyrev dice que la botella declina fuera de esta abertura". Es muy similar a lo que sucede en el viento solar que se expande lejos del sol ".
Boldyrev y sus colegas pensaron que podrían aplicar la misma teoría desde las máquinas espejo al viento solar, observando las diferencias en las partículas atrapadas y las que escapan. En estudios de máquinas espejo, los físicos descubrieron que los electrones muy calientes escapan de la botellapudieron distribuir su energía térmica lentamente a los electrones atrapados.
"En el viento solar, los electrones calientes fluyen del sol a distancias muy grandes, perdiendo su energía muy lentamente y distribuyéndola a la población atrapada", dice Boldyrev. "Resulta que nuestros resultados concuerdan muy bien con las mediciones deel perfil de temperatura del viento solar y pueden explicar por qué la temperatura del electrón disminuye con la distancia tan lentamente ", dice Boldyrev.
La precisión con la que la teoría de la máquina de espejos predice la temperatura del viento solar abre la puerta para usarlos para estudiar el viento solar en entornos de laboratorio.
"Tal vez incluso encontremos algunos fenómenos interesantes en esos experimentos que los científicos espaciales intentarán buscar en el viento solar", dice Boldyrev. "Siempre es divertido cuando comienzas a hacer algo nuevo. No sabes quésorpresas que obtendrás "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Sarah Perdue. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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