困扰科学家多年的问题：为什么太阳日冕的温度是表面温度的200倍？

新研究表明，反射等离子体波是日冕高温的关键，这为支持这一理论提供了首个实验证据。 图片来源：ESA &；NASA/太阳轨道器/EUI 小组；致谢： Lakshmi Pradeep Chitta，马克斯-普朗克太阳系研究所

我们的太阳深藏着一个谜。 虽然太阳的表面温度约为 10000 华氏度，但其外部大气层--日冕的温度却高达约 2 百万华氏度--大约是太阳表面温度的 200 倍。 自 1939 年首次记录日冕的高温以来，这种远离太阳表面的温度急剧上升的现象就一直困扰着科学家。 几十年来，研究人员一直在努力揭示这种意想不到的升温现象背后的机理，但这个谜团至今仍未解开。

不过，最近由美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）研究员赛亚克-博斯（Sayak Bose）领导的团队取得了突破性进展。 他们的研究结果表明，反射等离子体波很可能是加热日冕洞的原因，日冕洞是日冕中的低密度区域，具有延伸到行星际空间的开放磁场线。 这一发现标志着在揭开我们最近恒星的一个最持久的谜团方面取得了重大进展。

在《天体物理学杂志》上发表的论文的第一作者博斯说："科学家们知道日冕洞有很高的温度，但对造成加热的基本机制却不甚了解。我们的研究结果表明，等离子体波反射可以完成这项工作。 这是首次在实验室实验中证明阿尔芬波能在与日冕洞相关的条件下发生反射。"

显示两个日冕洞的图像，描述为相对较暗的区域。 日冕洞是太阳外层大气（即日冕）中密度和温度较低的区域。 图片来源：NASA/Goddard/SDO

揭开阿尔弗文波之谜

瑞典物理学家、诺贝尔奖获得者汉内斯-阿尔弗文（Hannes Alfvén）首次预言了以他的名字命名的波，这种波类似于弹拨吉他弦的振动，只不过在这种情况下，等离子体波是由摆动的磁场引起的。

博斯和研究小组的其他成员利用加州大学洛杉矶分校（UCLA）大型等离子体装置（LAPD）20 米长的等离子体柱，在模仿日冕洞周围情况的条件下激发阿尔弗波。 实验证明，当阿尔弗波遇到不同等离子体密度和磁场强度的区域时，就像它们在日冕洞周围的太阳大气中一样，它们会被反射并向其源头反向传播。 外向波和反射波的碰撞会引起湍流，进而导致加热。

实验进展与模拟启示

"物理学家长期以来一直假设阿尔芬波反射有助于解释日冕洞的加热现象，但一直无法在实验室进行验证或直接测量，"PPPL的访问研究学者Jason TenBarge说，他也参与了这项研究。"这项工作首次通过实验验证了阿尔芬波反射不仅是可能的，而且反射的能量足以加热日冕洞。"

在进行实验室实验的同时，研究小组还对实验进行了计算机模拟，结果证实了阿尔夫文波在类似日冕洞的条件下发生了反射。博斯说："我们通常会进行多重验证，以确保观测结果的准确性，而进行模拟就是其中的一个步骤。 阿尔芬波反射的物理学非常迷人和复杂！ 基础物理实验室实验和模拟能极大地提高我们对太阳等自然系统的理解，这真是令人惊叹。"

编译自/SciTechDaily

DOI: 10.3847/1538-4357/ad528f