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以爱荷华大学为首的物理学家更全面地描述了太阳的电场

更新时间:2021-07-14 23:32:12

随着帕克太阳探测器越来越靠近太阳,我们正在了解有关我们家乡恒星的新事物。

在一项新的研究中,爱荷华大学领导的物理学家报告了对太阳电场的首次明确测量,以及电场如何与太阳风相互作用,太阳风是带电粒子的快速流动电流,可以影响地球上的活动,从卫星到电信。

物理学家计算了太阳电场中电子的分布,这一壮举是因为帕克太阳探测器在距太阳 0.1 个天文单位 (AU) 或仅 900 万英里的范围内喷射——比任何航天器都更近接近。从电子的分布中,物理学家能够比以前更清楚地辨别太阳电场的大小、宽度和范围。

“我要说的关键是你不能在远离太阳的地方进行这些测量。爱荷华州物理与天文学系副教授、该研究的通讯作者贾斯珀·哈莱卡斯(Jasper Halekas)说,只有当你靠近时才能制造它们。“这就像试图通过观察下游一英里的河流来了解瀑布。我们在 0.1 AU 处进行的测量,我们实际上是在瀑布中。那时太阳风仍在加速。这真的只是一个很棒的环境。”

太阳的电场产生于氢原子在太阳深处聚变产生的强烈热量中剥离时产生的质子和电子的相互作用。在这种环境中,质量比质子小 1,800 倍的电子被吹向外,与它们更重的质子兄弟相比,受重力的限制更少。但是带有正电荷的质子会施加一些控制,由于带相反电荷的粒子的熟悉吸引力,它们会控制一些电子。

“电子试图逃逸,但质子试图将它们拉回来。这就是电场,”哈莱卡斯说,他是帕克太阳探测器上太阳风电子、阿尔法和质子仪器的联合研究员,这是美国宇航局于 2018 年 8 月发射的任务。“如果没有电场,所有的电子都会冲走并消失。但是电场将它们保持在一起,形成一种均匀的流动。”

现在,把太阳的电场想象成一个巨大的碗,把电子想象成以不同速度滚动两侧的弹珠。一些电子,或这个比喻中的弹珠,足够活泼,可以越过碗的边缘,而另一些则没有足够的加速,最终滚回碗的底部。

爱荷华大学的物理学家对太阳电场有了新的认识。研究人员测量了从太阳(太阳风的主要组成部分)流出的电子,以确定脱离太阳魔掌的电子与未脱离太阳魔掌的电子之间的能量边界。图片由 Jasper Halekas 实验室提供。

“我们正在衡量那些回来的人,而不是那些不回来的人,”Halekas 说。“从碗里逃出来的人和不从碗里逃出来的人之间基本上存在能量边界,这是可以测量的。由于我们离太阳足够近,我们可以在碰撞发生更远的地方之前准确测量电子的分布,从而使边界扭曲并掩盖电场的印记。”

从这些测量中,物理学家可以了解更多关于太阳风的信息,太阳风是每小时百万英里的太阳等离子体喷射流,冲刷地球和太阳系中的其他行星。他们发现太阳电场对太阳风有一定的影响,但比想象的要小。

“我们现在可以计算出太阳电场提供了多少加速度,”Halekas 说。“看起来这只是总数的一小部分。这并不是让太阳风发挥作用的主要因素。然后指出其他可能为太阳风提供大部分动力的机制。”

7月14日,《 天体物理学杂志》在线发表了题为“向阳电子赤字:太阳电势的迹象”的论文。

特约作者包括来自伦敦大学学院的 Laura Bercic;Phyllis Whittlesey、Davin Larson、Marc Pulupa 和 Stuart Bale,来自加州大学伯克利分校;Matthieu Berthomier,来自巴黎萨克雷大学;密歇根大学和史密森尼天体物理天文台的贾斯汀卡斯珀;史密森天体物理天文台的 Anthony Case 和 Michael Stevens;和美*宇航局戈达德太空飞行中心的罗伯特麦克道尔。

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