Физики успешно создали крошечные солнечные вспышки в лаборатории

Наше Солнце регулярно извергает языки жара и ярости, настолько большие, что наша собственная планета была бы во много раз меньше их размеров. Чтобы лучше понять, как они работают, исследователи создали версию, которая может поместиться в вашей коробке для завтрака.

Используя устройство, которое превращает мощные всплески электричества в похожие на веревки петли плазмы, группа физиков смоделировала солнечные вспышки, чтобы изучайте мощное рентгеновское излучение и энергичные частицы, проходящие через Солнечную систему.

«Наблюдения за Солнцем обнаруживают энергичные частицы и жесткое рентгеновское излучение, но не могут раскрыть механизм генерации, потому что ускорение частиц происходит в масштабе меньшем, чем разрешение наблюдения. Таким образом, детали межмасштабной физики, объясняющие генерацию энергичных частиц и жесткого рентгеновского излучения, остаются загадкой», — пишут группа под руководством физика Янга Чжана из Калифорнийского технологического института.

«Здесь , мы представляем наблюдения из лабораторного эксперимента, который имитирует физику солнечной корональной петли.»

Солнце представляет собой высокодинамичный, вращающийся шар плазмы, питаемый ядерным синтезом, поэтому неудивительно, что оно допускает некоторые махинации. . Мощные извержения, которые выбрасывают свет и частицы в окружающее пространство, могут воздействовать на Солнечную систему на значительном расстоянии.

Мы определенно испытываем эти эффекты здесь, на Земле. Магнитосфера и атмосфера защищают нас от жесткого рентгеновского излучения высокой энергии, но солнечные выбросы могут мешать работе спутников и космических аппаратов, включая навигационные и коммуникационные технологии, а также вызывать колебания и сбои в энергосистеме. Поэтому ученые, естественно, хотят знать больше о том, как Солнце создает и выбрасывает материал в первую очередь.

Но мы мало что можем почерпнуть, глядя на само Солнце; есть предел масштабам наблюдений, которые мы можем сделать, используя современные технологии. Чтобы изучить эти более мелкие детали, физики обратились к следующей лучшей вещи: воспроизведению солнечных вспышек в лаборатории.

Физик Пол Беллан из Калифорнийского технологического института разработал экспериментальный аппарат специально для создания структур, известных как корональные петли. Это длинные, замкнутые дуги тягучей светящейся плазмы, извергающейся из солнечной фотосферы вдоль силовых линий магнитного поля, которые вдаются в солнечную корону. Они часто связаны с повышенной солнечной активностью, такой как вспышки и выбросы корональной массы.

Это устройство состоит из газовых сопел, электромагнитов и электродов в вакуумной камере.

Во-первых, включаются электромагниты, создающие магнитное поле внутри вакуумной камеры. Затем в область электродов впрыскивается газ.

Затем через электроды подается мощный электрический разряд в миллисекундном масштабе; это ионизирует газ, превращая его в плазму, которая затем образует петлю, удерживаемую магнитным полем.

«Каждый эксперимент потребляет примерно столько энергии, сколько требуется для того, чтобы 100-ваттная лампочка загорелась примерно на минуту. , и зарядка конденсатора занимает всего пару минут», — объясняет Беллан.

Каждый цикл длится всего 10 микросекунд и очень мал, около 20 сантиметров (7,9 дюйма) в длину и сантиметр в ширину. диаметр. Но высокоскоростные камеры фиксируют каждый момент образования и распространения петли, что позволяет исследовательской группе детально проанализировать ее формирование, структуру и эволюцию.

Недавно ученые узнали, что корональные петли не просто выглядят как веревка, они устроены так же. Новая работа позволила команде выяснить, какую роль эта структура играет в производстве солнечных выбросов.

«Если вы разрежете кусок веревки, вы увидите, что он состоит из переплетений отдельных нитей», — сказал Чжан. говорит. «Растяните эти отдельные нити, и вы увидите, что они представляют собой косы из еще более мелких нитей и т. д. Похоже, плазменные петли работают точно так же».

И оказывается, что эти нити ответственны за рентгеновские вспышки. Поскольку плазма является сильным проводником, по петлям течет ток; но время от времени ток превышает пропускную способность петли, как слишком много воды, протекающей через шланг.

Когда это происходит, как показывают изображения команды, в петле развивается штопороподобная нестабильность, и отдельные нити начинают ломаться, что оказывает еще большее давление на оставшиеся нити.

При обрыве нити возникает всплеск рентгеновских лучей, сопровождаемый всплеском отрицательного напряжения, подобно тому, как давление капли в шланге для воды с перегибом. Это падение напряжения ускоряет заряженные частицы в плазме; когда эти частицы замедляются, испускается всплеск рентгеновского излучения.

Просматривая изображения корональных петель на Солнце, исследователи выявили нестабильность, подобную наблюдаемой в лаборатории, которая также была связана с X -лучевой всплеск, предполагающий, что хотя один был размером с банан, а другой мог бы с комфортом поглотить всю нашу планету, эти два явления произошли одним и тем же образом.

Будущие исследования Солнца помогут разгадать этот процесс далее, но это, кажется, согласуется с другими исследованиями, которые обнаружили, как замыкание и повторное соединение силовых линий магнитного поля приводит к мощным выбросам энергии. Команда намерена изучить различные способы слияния и изменения конфигурации корональных петель, чтобы увидеть, какие виды всплесков вызывает эта активность.

Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.