ホースの不安定性と粒子の衝突が太陽風の温度を均一化する

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Anonim
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2014年10月8日に撮影された太陽の色付き写真

米国と韓国の物理学者は、2粒子の衝突とホースの不安定性が、太陽風の荷電粒子の縦方向と横方向の温度を等しくすることを示しました。これを行うために、科学者は、0.3から1天文単位までの距離での温度変化を説明する方程式をまとめて数値積分しました。したがって、提案された分析は、太陽風の温度均一性の問題を部分的に解決します。この記事はPhysicalReviewLettersに掲載されました。

地球から少なくとも数光年離れているほとんどの星とは異なり、太陽は文字通り近くにあり、わずか8光分しか離れていません。さらに、地球は太陽風によって絶えず洗われています-太陽コロナで生まれる荷電粒子の流れ。太陽風を注意深くモデル化することにより、科学者は太陽で発生するプロセスの画像を再構築し、見つかったパターンを他の星に拡張することができます。これは間接的にしか研究できません。しかし、好ましい研究条件にもかかわらず、物理学者はまだ太陽プロセスの多くの規則性を説明することはできません-たとえば、星の化学組成を予測したり、対流ゾーンと放射ゾーンの境界を見つけたりします。

特に、太陽物理学における未解決の問題の1つは、太陽風の温度等方性です。大まかに言えば、物理学者は、磁場に平行および垂直に移動するイオンの温度が異なる場合に、温度異方性を状況と呼びます。標準モデルは、放射状に拡大する太陽風の場合、断熱不変量が保存されるため、横方向と縦方向の温度の比率が増加するはずであると予測しています。たとえば、Chew-Goldberger-Lowの関係では、すでに5つの太陽半径の距離にある場合、陽子の縦方向と横方向の温度は200倍以上異なるはずであると述べています。しかし、実際にはそうではないことが判明し、地球の軌道から離れた場所でも、温度比は0、9のレベルにあります。同様の関係が電子にも当てはまります。理論と実践の間にそのような重大な矛盾がある理由は何ですか、科学者はまだ知りません。

Peter Yoonが率いるグループは、このパラドックスに対する可能な解決策を提案しました。最初に、彼らは陽子と電子がファイアホースの不安定性のために互いに動的に結合していることを考慮に入れました。大まかに言えば、ホースの不安定性では、プラズマを貫通する磁力線は、高圧の水の下でホースのように予期せず曲がり、プラズマイオンを運び去ります。プラズマの温度異方性が大きいほど、そのような不安定性が発生しやすくなります。ちょうど2年前、ユンのグループは、これらの不安定性が陽子の温度等方性を説明できることを示しました。ただし、このメカニズムは電子に対しては機能しません。

両方のタイプの粒子で温度が等しくなる理由を説明するために、研究者は理論に2粒子衝突を追加しました。一般的に言って、太陽風の粒子が衝突することはめったにありません-それらが地球の軌道に到達する間、せいぜい1つか2つの衝突が起こります。しかし、2016年、Peter Yunは、このようなまれな衝突でもイオン温度の差が小さくなることを示しました。したがって、新しいモデルでは、科学者は両方のプロセスを考慮に入れました。

動的不安定性と2粒子衝突を考慮して、研究者たちは、拡大する太陽風の粒子の縦方向と横方向の温度の変化を説明する微分方程式のシステムをまとめました。初期データとして、科学者たちは、HELIOSプローブによって測定された、太陽から0.3天文単位の距離での温度、磁場、および異方性の値を取得しました。この距離では、陽子と電子の両方の横方向の温度は、縦方向の温度の約2〜3倍です。さらに、この距離に沿って、非磁化プラズマの理論を適用できる領域の境界があります。次に、物理学者は、リープフロッグスキームを使用して、結果の微分方程式を数値的に解きました。その結果、科学者たちは陽子と電子の両方の温度異方性がどのように徐々に減少するかを見ました。

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ベータプラズマに応じた陽子の横方向と縦方向の温度の比率。白い円は初期条件に対応し、赤い円は計算結果です。青い領域は、Windプローブによって取得された完全な測定データを反映しています

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ベータプラズマの関数としての横方向と縦方向の電子温度の比率。白い円は初期条件に対応し、赤い円は計算結果です。青い領域は、Windプローブによって取得された完全な測定データを反映しています

興味深いことに、衝突頻度が低い同様のシミュレーションでは、温度の均等化は発生しませんでした。

科学者たちは、彼らの分析は、太陽風の温度異方性の問題をまだ解決していないと述べていますが、それはそれの根底にある仮定が正しいことを示しています。実際、衝突と不安定性に加えて、磁場の回転を考慮に入れ、荷電粒子の密度の半径方向距離への依存性をより正確に記述する必要があります。しかし、著者は彼らが正しい方向に向かっていると信じています。

太陽風は、太陽系の惑星の生命に重要な役割を果たしています。たとえば、2015年11月、MAVENプローブを使用しているNASAの科学者は、太陽風が火星の大気を徐々に侵食していることを発見しました。 2017年10月、同じプローブからのデータは、太陽風の影響下で、火星の磁場の残骸が異常な磁気テールを形成したことを示しました。そして2019年4月、米国、英国、日本の天文学者は、太陽風からの高エネルギー粒子が木星の大気の奥深くまで浸透し、惑星を加熱していることを発見しました。

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