1. 太陽(yáng)的秘密
我們的宇宙隱藏著許多不為人知的秘密，即使是熟悉如太陽(yáng)這樣的天體也有著諸多的未解之謎。
在太陽(yáng)的可見(jiàn)表面之上，由帶電粒子組成的熱氣會(huì)一直延伸到太空之中，形成太陽(yáng)過(guò)熱的外層，其中就包括條紋狀的日冕在內(nèi)。當(dāng)日全食時(shí)，這些日冕看起來(lái)就像是獅子的鬃毛。某些過(guò)程將日冕中的等離子體加熱到數(shù)百萬(wàn)度的高溫，使它們以太陽(yáng)風(fēng)的形式遠(yuǎn)離太陽(yáng)。但我們?nèi)詿o(wú)法確切的知道這些等離子體究竟是如何逃離太陽(yáng)磁場(chǎng)的。
其實(shí)，與太陽(yáng)有關(guān)的許多懸而未決的問(wèn)題最終都可歸結(jié)于它的磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)支配著太陽(yáng)的大部分活動(dòng)。太陽(yáng)的磁場(chǎng)形成了巨大的磁環(huán)，將等離子體困住。其中有一些較小的磁環(huán)可以完全融入太陽(yáng)的日冕中，而另一些磁環(huán)則能延伸到太陽(yáng)系的邊緣。
○ 太陽(yáng)磁場(chǎng)會(huì)將等離子體困在磁環(huán)中。| 圖片來(lái)源：NASA’s Goddard Space Flight Center
太陽(yáng)風(fēng)幾乎影響著太陽(yáng)系中的一切，比如它可以破壞人造衛(wèi)星的正常運(yùn)作，也能導(dǎo)致極光的產(chǎn)生。太陽(yáng)風(fēng)雖變化無(wú)常，但本質(zhì)上可分為兩種類(lèi)型——快太陽(yáng)風(fēng)和慢太陽(yáng)風(fēng)。隨著延伸到太陽(yáng)系外圍的磁環(huán)而逃離太陽(yáng)的等離子體成為了快太陽(yáng)風(fēng)。一些太空任務(wù)已經(jīng)很好地記錄了快太陽(yáng)風(fēng)的來(lái)源。
科學(xué)家認(rèn)為，等離子體團(tuán)也可以從較小的磁環(huán)中爆發(fā)出來(lái)，從而產(chǎn)生慢太陽(yáng)風(fēng)。這些磁環(huán)會(huì)斷裂并在一個(gè)叫做“重新連接”的過(guò)程中再次相連，從而使一些原本被困住的等離子體脫落。但是，關(guān)于這種磁重聯(lián)是在哪里發(fā)生的以及如何發(fā)生細(xì)節(jié)，我們卻不得而知。
因此，研究人員決定要在實(shí)驗(yàn)室中用一個(gè)等離子體球來(lái)重現(xiàn)太陽(yáng)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在一項(xiàng)新的研究中，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的物理學(xué)家就成功地在實(shí)驗(yàn)室里模擬了太陽(yáng)風(fēng)，證實(shí)了太陽(yáng)風(fēng)是如何發(fā)展的。研究結(jié)果發(fā)表于《自然物理》雜志上。
2. 如何在實(shí)驗(yàn)室中制造太陽(yáng)？
從本質(zhì)上看，太陽(yáng)是一個(gè)由熱等離子體組成的大球。當(dāng)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)時(shí)，等離子體也隨之旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)的等離子體產(chǎn)生了磁場(chǎng)，充滿了太陽(yáng)的整個(gè)大氣層。
條形磁鐵（或者說(shuō)偶極子）是最簡(jiǎn)單的太陽(yáng)磁場(chǎng)模型，它具有南北兩極，磁場(chǎng)會(huì)從一極延伸到另一極。當(dāng)然，太陽(yáng)比條形磁鐵要復(fù)雜得多。太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)會(huì)將它的磁場(chǎng)扭曲成一種被稱(chēng)為帕克螺旋（Parker spiral）的漩渦模式。來(lái)自太陽(yáng)的等離子體流會(huì)像橡皮筋一樣牽引著磁場(chǎng)的某些部分，將這些磁環(huán)一路拉到太陽(yáng)系的邊緣。
○ 太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)會(huì)扭曲它的磁場(chǎng)，使它的變成一種名為“帕克螺旋”的形狀。| 圖片來(lái)源：Werner Heil
研究人員雖然可能無(wú)法直接接觸到太陽(yáng)的等離子體，但他們卻在實(shí)驗(yàn)室中建造了一個(gè)“微型太陽(yáng)”。這是一個(gè)寬3米的空心“大紅球”，在球體的中心有一個(gè)寬10厘米、高10厘米的圓柱形磁體，里面有各種各樣的探針。接著，研究人員向球體中填充入用氦氣制成的等離子體，再施加電流和磁場(chǎng)以攪動(dòng)等離子體。這些步驟創(chuàng)造出了與太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)等離子體和電磁場(chǎng)完美近似的模擬。
○ 等離子體“大紅球”實(shí)驗(yàn)裝置。| 圖片來(lái)源：JEFF MILLER
利用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員首先重現(xiàn)了帕克螺旋的形狀。雖然一些衛(wèi)星任務(wù)已經(jīng)探測(cè)到了與帕克螺旋模型非常一致的結(jié)果，但衛(wèi)星一次只能在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量。但在新的實(shí)驗(yàn)中，研究人員可以在大紅球內(nèi)的許多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，從而能同時(shí)繪制出大規(guī)模的帕克螺旋圖。
研究人員還用實(shí)驗(yàn)?zāi)M了太陽(yáng)周?chē)膮^(qū)域，那里的等離子體處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。在這個(gè)邊界內(nèi)，等離子體被磁場(chǎng)所包含；但在邊界之外，由太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力超過(guò)了磁場(chǎng)，因此等離子體會(huì)向外流動(dòng)。如果等離子體旋轉(zhuǎn)得足夠劇烈，它們就能在離心力的作用下旋轉(zhuǎn)出去。
○ 帕克螺旋是太陽(yáng)風(fēng)繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)形成的形狀。研究人員在實(shí)驗(yàn)室中模擬了這種等離子體螺旋。右邊的動(dòng)圖顯示了一個(gè)較小的帕克螺旋出現(xiàn)在一個(gè)等離子體球體中。| 圖片來(lái)源：ScienceNews
除此之外，在新的實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家還研究了太陽(yáng)等離子體為什么會(huì)“打嗝”?！按蜞谩笔且环N周期性的小型等離子體噴射，它能為慢太陽(yáng)風(fēng)提供原料。過(guò)去的一些衛(wèi)星任務(wù)探測(cè)到過(guò)這類(lèi)噴射，但沒(méi)有人知道這種噴射是由什么驅(qū)動(dòng)的。而這次研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了非常相似的打嗝現(xiàn)象，并確定了它們會(huì)如何演化。
3. 為何研究真實(shí)的太陽(yáng)會(huì)如此困難?
在新的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將整個(gè)太陽(yáng)系都裝進(jìn)了一個(gè)3米寬的球里，這使他們能更好地理解太陽(yáng)的全局。因?yàn)閷?duì)于衛(wèi)星任務(wù)來(lái)說(shuō)，一個(gè)探測(cè)器一次只能處于在一個(gè)地方。無(wú)論它是為了讓研究人員更好地了解太陽(yáng)風(fēng)的結(jié)構(gòu)而拍攝太陽(yáng)風(fēng)的照片，還是測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度和飄過(guò)的粒子，它都只能探測(cè)太陽(yáng)環(huán)境的一小部分。這使得研究人員無(wú)法對(duì)太陽(yáng)環(huán)境中的任何地方進(jìn)行樣品采集。
雖然新的實(shí)驗(yàn)是對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的一個(gè)非常好的補(bǔ)充，但這絕不表明它可以替代衛(wèi)星任務(wù)。實(shí)際上，由于地球上的實(shí)驗(yàn)條件必然存在有別于太陽(yáng)的地方，因此這個(gè)模型的某些方面并不能如實(shí)地反映太陽(yáng)日冕和太陽(yáng)風(fēng)的組成，例如實(shí)驗(yàn)中所具有的等離子體密度，以及帶電粒子和中性粒子的比例等等。
不過(guò)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)仍然為我們提供了很多信息。它所重現(xiàn)的許多太陽(yáng)的行為使它成為了一個(gè)非常有前景的實(shí)驗(yàn)。它證實(shí)了太陽(yáng)風(fēng)是如何發(fā)展的，并為未來(lái)的太陽(yáng)物理學(xué)研究提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室模型，讓研究人員在實(shí)驗(yàn)室也能了解太陽(yáng)的一些過(guò)程的基本物理原理。
2018年8月，帕克太陽(yáng)能探測(cè)器發(fā)射升空，據(jù)預(yù)計(jì)，它有可能能抵達(dá)到阿爾文表面以下，從而對(duì)太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行前所未有的直接觀測(cè)。在未來(lái)的幾年內(nèi)，帕克太陽(yáng)探測(cè)器將環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，它將會(huì)穿過(guò)日冕并收集數(shù)據(jù)，屆時(shí)，就可以將收集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果進(jìn)行比較了。如果在實(shí)驗(yàn)室中看到的東西是對(duì)的，那么帕克太陽(yáng)探測(cè)器也將看到。
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