液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)提供了對(duì)太陽(yáng)日冕加熱機(jī)制的洞察

為什么太陽(yáng)的日冕會(huì)達(dá)到幾百萬(wàn)攝氏度的溫度是太陽(yáng)物理學(xué)的一大謎團(tuán)。解釋這種效應(yīng)的“熱”軌跡通向日冕正下方的太陽(yáng)大氣區(qū)域，在那里聲波和某些等離子波以相同的速度傳播。在使用熔融堿金屬銣和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)中，德國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室亥姆霍茲-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) 的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室模型，并首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論預(yù)測(cè)的行為研究人員在《物理評(píng)論快報(bào)》(DOI：10.1103/PhysRevLett.127.275001)雜志上報(bào)告了這些等離子體波——所謂的阿爾文波。

在 1500 萬(wàn)攝氏度時(shí)，我們太陽(yáng)的中心非常熱。在它的表面，它以相對(duì)溫和的 6000 攝氏度發(fā)光。“更令人驚訝的是，上覆太陽(yáng)的日冕中突然再次出現(xiàn)了幾百萬(wàn)度的溫度，”弗蘭克斯特凡尼博士說。他的團(tuán)隊(duì)在 HZDR 流體動(dòng)力學(xué)研究所進(jìn)行天體物理學(xué)研究——包括我們的中心恒星。對(duì)于 Stefani 來說，電暈加熱現(xiàn)象仍然是太陽(yáng)物理學(xué)的一大謎團(tuán)，一個(gè)非常簡(jiǎn)單的問題一直在他的腦海中閃過：“為什么鍋比爐子熱?”

磁場(chǎng)在加熱太陽(yáng)日冕方面起主導(dǎo)作用，現(xiàn)在已被太陽(yáng)物理學(xué)廣泛接受。然而，這種效應(yīng)主要是由于太陽(yáng)等離子體中磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的突然變化還是由于不同類型波的衰減，仍然存在爭(zhēng)議。德累斯頓團(tuán)隊(duì)的新工作重點(diǎn)研究了太陽(yáng)大氣熱等離子體中日冕下方發(fā)生的所謂阿爾芬波，這些等離子體被磁場(chǎng)所滲透。作用在等離子體電離粒子上的磁場(chǎng)類似于吉他弦，彈奏時(shí)會(huì)觸發(fā)波動(dòng)。正如彈奏的弦的音高隨著張力的增加而增加一樣，阿爾文波的頻率和傳播速度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。

“在太陽(yáng)日冕的正下方是所謂的磁冠層，其中磁場(chǎng)在很大程度上平行于太陽(yáng)表面排列。在這里，聲波和阿爾文波的速度大致相同，因此很容易相互變形。我們想要達(dá)到這個(gè)神奇的點(diǎn)——等離子體的磁能開始像沖擊一樣轉(zhuǎn)化為熱量，”斯蒂芬尼說，概述了他的團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)。

危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)?

在他們于 1942 年做出預(yù)測(cè)后不久，在第一次液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)中就發(fā)現(xiàn)了阿爾文波，后來又在精心設(shè)計(jì)的等離子體物理設(shè)施中進(jìn)行了詳細(xì)研究。只有被認(rèn)為對(duì)電暈加熱至關(guān)重要的磁冠的條件，直到現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)者仍然無法獲得。一方面，在大型等離子體實(shí)驗(yàn)中，阿爾文速度通常遠(yuǎn)高于聲速。另一方面，在迄今為止的所有液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)中，它已經(jīng)顯著降低。原因是：普通超導(dǎo)線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較低，恒定磁場(chǎng)約為20特斯拉。

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