Quando si apre un estintore, l'anidride carbonica compressa forma cristalli di ghiaccio attorno all'ugello, fornendo un esempio visivo del principio fisico secondo cui gas e plasmi si raffreddano mentre si espandono. Quando il nostro sole espelle plasma sotto forma di vento solare, anche il vento si raffredda mentre si espande nello spazio, ma non tanto quanto le leggi della fisica avrebbero previsto.

In uno studio pubblicato il 14 aprile su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , I fisici dell'Università del Wisconsin-Madison forniscono una spiegazione per la discrepanza nella temperatura del vento solare. Le loro scoperte suggeriscono modi per studiare i fenomeni del vento solare nei laboratori di ricerca e conoscere le proprietà del vento solare in altri sistemi stellari.

"Le persone hanno studiato il vento solare sin dalla sua scoperta nel 1959, ma ci sono molte proprietà importanti di questo plasma che non sono ancora ben comprese, "dice Stas Boldyrev, professore di fisica e autore principale dello studio. "Inizialmente, i ricercatori pensavano che il vento solare dovesse raffreddarsi molto rapidamente mentre si espandeva dal sole, ma le misurazioni satellitari mostrano che quando raggiunge la Terra, la sua temperatura è 10 volte maggiore del previsto. Così, una domanda fondamentale è:perché non si raffredda?"

Il plasma solare è una miscela fusa di elettroni caricati negativamente e ioni caricati positivamente. A causa di questa carica, il plasma solare è influenzato da campi magnetici che si estendono nello spazio, generato al di sotto della superficie solare. Mentre il plasma caldo fuoriesce dall'atmosfera più esterna del sole, la sua corona, scorre nello spazio come vento solare. Gli elettroni nel plasma sono particelle molto più leggere degli ioni, quindi si muovono circa 40 volte più velocemente.

Con più elettroni carichi negativamente che si allontanano, il sole assume una carica positiva. Questo rende più difficile per gli elettroni sfuggire all'attrazione del sole. Alcuni elettroni hanno molta energia e continuano a viaggiare per distanze infinite. Quelli con meno energia non possono sfuggire alla carica positiva del sole e sono attratti dal sole. Come fanno, alcuni di questi elettroni possono essere scaraventati fuori dalle loro tracce in modo così lieve da collisioni con il plasma circostante.

"C'è un fenomeno dinamico fondamentale che dice che le particelle la cui velocità non è ben allineata con le linee del campo magnetico non sono in grado di muoversi in una regione di un forte campo magnetico, " dice Boldyrev. "Tali elettroni di ritorno vengono riflessi in modo tale da allontanarsi dal sole, ma ancora una volta non possono sfuggire a causa della forza elettrica attrattiva del sole. Così, il loro destino è quello di rimbalzare avanti e indietro, creando una grande popolazione di cosiddetti elettroni intrappolati."

Nel tentativo di spiegare le osservazioni della temperatura nel vento solare, Boldyrev e i suoi colleghi, I professori di fisica di UW-Madison Cary Forest e Jan Egedal hanno cercato un parente, ma distinto, campo della fisica del plasma per una possibile spiegazione.

Nel periodo in cui gli scienziati scoprirono il vento solare, i ricercatori sulla fusione del plasma stavano pensando a modi per confinare il plasma. Hanno sviluppato "macchine a specchio, " o linee di campo magnetico riempite di plasma a forma di tubo con estremità pizzicate, come bottiglie con il collo aperto alle due estremità.

Quando le particelle cariche nel plasma viaggiano lungo le linee di campo, raggiungono il collo di bottiglia e le linee del campo magnetico vengono pizzicate. Il pizzico fa da specchio, riflettendo le particelle nella macchina.

"Ma alcune particelle possono sfuggire, e quando lo fanno, scorrono lungo linee di campo magnetico in espansione all'esterno della bottiglia. Perché i fisici vogliono mantenere questo plasma molto caldo, vogliono capire come la temperatura degli elettroni che fuoriescono dalla bottiglia diminuisca al di fuori di questa apertura, " dice Boldyrev. "È molto simile a ciò che sta accadendo nel vento solare che si espande lontano dal sole".

Boldyrev e colleghi pensavano di poter applicare la stessa teoria delle macchine a specchio al vento solare, osservando le differenze tra le particelle intrappolate e quelle che sfuggono. Negli studi sulla macchina a specchio, i fisici hanno scoperto che gli elettroni molto caldi in fuga dalla bottiglia erano in grado di distribuire lentamente la loro energia termica agli elettroni intrappolati.

"Nel vento solare, gli elettroni caldi fluiscono dal sole a distanze molto grandi, perdendo la loro energia molto lentamente e distribuendola alla popolazione intrappolata, " 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."