Wanneer een brandblusser wordt geopend, de gecomprimeerde kooldioxide vormt ijskristallen rond het mondstuk, een visueel voorbeeld van het natuurkundige principe dat gassen en plasma's afkoelen als ze uitzetten. Wanneer onze zon plasma verdrijft in de vorm van zonnewind, de wind koelt ook af als hij door de ruimte uitzet, maar lang niet zoveel als de natuurwetten zouden voorspellen.

In een studie gepubliceerd op 14 april in de Proceedings van de National Academy of Sciences , Natuurkundigen van de Universiteit van Wisconsin-Madison geven een verklaring voor de discrepantie in de temperatuur van de zonnewind. Hun bevindingen suggereren manieren om zonnewindverschijnselen in onderzoekslaboratoria te bestuderen en meer te weten te komen over de eigenschappen van zonnewind in andere sterrenstelsels.

"Mensen bestuderen de zonnewind sinds de ontdekking in 1959, maar er zijn veel belangrijke eigenschappen van dit plasma die nog steeds niet goed worden begrepen, " zegt Stas Boldyrev, hoogleraar natuurkunde en hoofdauteur van de studie. "In eerste instantie onderzoekers dachten dat de zonnewind heel snel moet afkoelen als hij zich uitbreidt van de zon, maar satellietmetingen laten zien dat als het de aarde bereikt, de temperatuur is 10 keer groter dan verwacht. Dus, een fundamentele vraag is:waarom koelt het niet af?"

Zonneplasma is een gesmolten mengsel van negatief geladen elektronen en positief geladen ionen. Vanwege deze aanklacht zonneplasma wordt beïnvloed door magnetische velden die zich uitstrekken tot in de ruimte, gegenereerd onder het zonneoppervlak. Terwijl het hete plasma uit de buitenste atmosfeer van de zon ontsnapt, zijn corona, het stroomt door de ruimte als zonnewind. De elektronen in het plasma zijn veel lichtere deeltjes dan de ionen, dus ze bewegen ongeveer 40 keer sneller.

Met meer negatief geladen elektronen die wegstromen, de zon krijgt een positieve lading. Dit maakt het moeilijker voor de elektronen om aan de aantrekkingskracht van de zon te ontsnappen. Sommige elektronen hebben veel energie en blijven oneindige afstanden afleggen. Degenen met minder energie kunnen niet ontsnappen aan de positieve lading van de zon en worden weer aangetrokken door de zon. Zoals ze doen, sommige van die elektronen kunnen een heel klein beetje van hun spoor worden geslagen door botsingen met omringend plasma.

"Er is een fundamenteel dynamisch fenomeen dat zegt dat deeltjes waarvan de snelheid niet goed is uitgelijnd met de magnetische veldlijnen, niet in staat zijn om in een gebied met een sterk magnetisch veld te komen, ' zegt Boldyrev. 'Zulke terugkerende elektronen worden gereflecteerd zodat ze wegstromen van de zon, maar nogmaals, ze kunnen niet ontsnappen vanwege de aantrekkende elektrische kracht van de zon. Dus, hun lot is om heen en weer te stuiteren, het creëren van een grote populatie van zogenaamde gevangen elektronen."

In een poging om de temperatuurwaarnemingen in de zonnewind te verklaren, Boldyrev en zijn collega's, UW-Madison natuurkunde professoren Cary Forest en Jan Egedal keken naar een verwant, maar onderscheiden, gebied van plasmafysica voor een mogelijke verklaring.

Rond de tijd dat wetenschappers zonnewind ontdekten, plasmafusie-onderzoekers dachten aan manieren om plasma op te sluiten. Ze ontwikkelden "spiegelmachines, " of met plasma gevulde magnetische veldlijnen in de vorm van buizen met afgeknepen uiteinden, zoals flessen met open nek aan beide uiteinden.

Terwijl geladen deeltjes in het plasma langs de veldlijnen reizen, ze bereiken de bottleneck en de magnetische veldlijnen worden geknepen. Het snuifje werkt als een spiegel, reflecterende deeltjes terug in de machine.

"Maar sommige deeltjes kunnen ontsnappen, en wanneer ze dat doen, ze stromen langs uitzettende magnetische veldlijnen buiten de fles. Omdat de natuurkundigen dit plasma heel heet willen houden, ze willen uitzoeken hoe de temperatuur van de elektronen die uit de fles ontsnappen buiten deze opening daalt, " zegt Boldyrev. "Het lijkt erg op wat er gebeurt in de zonnewind die zich uitbreidt van de zon."

Boldyrev en collega's dachten dat ze dezelfde theorie van de spiegelmachines konden toepassen op de zonnewind, kijkend naar de verschillen tussen de opgesloten deeltjes en de deeltjes die ontsnappen. In spiegelmachinestudies, de natuurkundigen ontdekten dat de zeer hete elektronen die uit de fles ontsnapten, hun warmte-energie langzaam naar de gevangen elektronen konden verdelen.

"In de zonnewind, de hete elektronen stromen van de zon naar zeer grote afstanden, heel langzaam hun energie verliezen en deze verdelen onder de opgesloten bevolking, " Boldyrev says. "It turns out that our results agree very well with measurements of the temperature profile of the solar wind and they may explain why the electron temperature declines with the distance so slowly, " Boldyrev says.

The accuracy with which mirror machine theory predicts solar wind temperature opens the door for using them to study solar wind in laboratory settings.

"Maybe we'll even find some interesting phenomena in those experiments that space scientists will then try to look for in the solar wind, " Boldyrev says. "It's always fun when you start doing something new. You don't know what surprises you'll get."