В мороз мы дышим на продрогшие руки, пытаясь согреть их воздушным потоком. Ни одному здравомыслящему человеку при этом не придет в голову отвести руки подальше от лица. Даже тем, чей мозг не пропитан физическими формулами, интуитивно понятно, что газ при расширении остывает.
Солнечный ветер есть ни что иное как сильно разогретый газ, в котором отрицательно заряженные электроны оторвались от родных атомов, превратив их в положительные ионы. Газ в таком состоянии носит гордое красивое имя — плазма, но не теряет свойства остывать при расширении.
Ученые из Висконсинского университета в Мэдисоне были сильно озадачены, когда наблюдения спутников показали, что температура солнечного «дыхания» рядом с нашей планетой оказалась в 10 раз больше, чем рассчитали теоретически. В новом исследовании, в официальном журнале Национальной Академии наук США (PNAS), группа плазмистов выдвинула теорию, объясняющую эту нестыковку, и подтвердила догадку лабораторным экспериментом.
Солнечная плазма выбрасывается с поверхности звезды в открытый космос и начинает убегать по всем направлениям. Электроны в плазме движутся в 40 раз быстрее более тяжелых ионов. В какой-то момент в пространстве образуется две гигантские группы зарядов: положительный на небольших расстояниях от светила и отрицательный — на более удаленных. Положительный заряд тянет электроны назад. Но не все так просто. Магнитные линии солнечного поля, не совпадающие по направлению с векторами скоростей вернувшихся электронов, отталкивают отпрысков обратно в вольную жизнь. В результате, электроны попадают в «ловушку» и болтаются в космосе, как мячики между двумя стенками.
Часть электронов при этом обладает достаточными энергиями и скоростями, чтобы вырваться из ловушки. Они долетают до детекторов орбитальных телескопов Земли и несут с собой намного больше тепла, чем от них ожидали. Ученые полагают, что повышенной температурой их «заразили» электроны, которым не удалось отлететь далеко от Солнца.
Для проверки догадки исследователи поймали электроны плазмы из лабораторной установки в магнитную ловушку. Линии магнитного поля по форме напоминали бутылку: широкие у источника плазмы они сужались на расстоянии от него. Узкое «горлышко» магнитных линий действовало на крошечных путешественников, как зеркало — отталкивало обратно. Температура электронов, которые смогли преодолеть действие магнитного поля, оказались выше, чем предвосхищали расчеты.
«Мы еще многого не знаем о солнечном ветре, который открыли в 1959 году, — сказал Стас Болдырев, профессор физики и ведущий автор исследования, — Результаты работы позволят нам проводить эксперименты по изучению плазмы Солнца в условиях земных лабораторий. Кроме того, исследуя поведение плазменных электронов, мы можем заполнять пробелы физики звездных ветров, «дующих» в других солнечных системах».