实验室太阳耀斑揭示了高能粒子爆发背后的机制线索

加州理工学院的研究人员模拟香蕉大小的太阳耀斑，分析了这些大规模爆炸将潜在有害的高能粒子和X射线喷射到宇宙中的过程。他们的研究发表在《自然天文学》杂志上。

日冕环是从太阳表面突出的等离子体拱门，沿磁力线排列。磁力线就像带电粒子的高速公路，引导构成等离子体的电子和离子的运动。这些环路可能投影到太阳表面以上100万公里处，可以持续数分钟到数小时。这些环路通常生长和演化缓慢，但有时可以突然将巨大的能量 - 比地球上最强大的核爆炸强数十亿倍 - 发射到太空中。这种突然的能量爆炸被称为太阳耀斑。

耀斑中的一些能量以带电粒子和“硬X射线”的形式出现，它们是高能电磁波，就像医生办公室用于对骨骼进行成像一样。地球自身的磁场和大气层充当屏障，保护地表生命不被这些能量洪流煮熟，但众所周知，它们会破坏通信和电网。它们还对太空中的航天器和宇航员构成持续威胁。

虽然太阳耀斑产生高能粒子和X射线爆发的事实早已为人所知，但科学家们才刚刚开始拼凑出它们这样做的机制。

研究人员有两种选择来破译循环的形成和变化方式和原因。首先是观察太阳，并希望以足够精细的细节捕捉现象以产生相关信息。第二种是在实验室中模拟循环。加州理工学院的应用物理学教授保罗·贝兰(Paul Bellan)选择了后者。

在加州理工学院校园应用物理实验室Thomas J. Watson， Sr.一楼的一个实验室里，贝兰建造了一个真空室，里面有双电极。为了模拟这种现象，他给一个电容器充电，能量足以运行帕萨迪纳市几微秒，然后通过电极放电，形成一个微型太阳日冕回路。

每个循环持续约10微秒，长度约为20厘米(cm)，直径约为1厘米。但在结构上，贝兰的循环与真实的东西相同，为他和他的同事提供了随意模拟和研究它们的机会。

“每个实验消耗的能量与运行100瓦灯泡约一分钟所需的能量一样多，并且只需几分钟即可为电容器充电，”该团队研究论文的资深作者Bellan说。贝兰用每秒能够拍摄10万帧的相机捕捉每个循环，然后他研究产生的图像。

最近的发现之一是，太阳日冕环似乎不是一个单一的结构，而是由类似于大绳索的分形编织股组成。

“如果你解剖一根绳子，你会发现它是由单股的辫子组成的，”研究生、《自然天文学》论文的主要作者张扬说。“把这些单独的股线拉开，你会发现它们是更小的股的辫子，等等。等离子体回路似乎以同样的方式工作。

事实证明，这种结构对于产生与太阳耀斑相关的高能粒子和X射线爆发非常重要。等离子体是一种强电导体——想想霓虹灯，它充满了等离子体，当电流通过时会亮起。然而，当太多电流试图通过太阳日冕回路时，结构就会受到影响。环产生扭结 - 开瓶器形状的不稳定 - 并且单个股线开始断裂。然后，每根新的断裂线将应变倾倒到剩余的链上。

“就像松紧带拉伸得太紧一样，环会变得更长更细，直到股线折断，”应用物理学和材料科学博士后学者研究助理，该论文的合著者Seth Pree说。

通过逐微秒研究这一过程，研究小组注意到在链断裂的确切瞬间，与X射线爆发相关的负电压尖峰。这种电压尖峰类似于水管收缩点处形成的压降。来自这个电压尖峰的电场将带电粒子加速到极端能量，然后在高能粒子减速时发射X射线。

此外，张梳理了太阳耀斑的照片，并能够记录类似于实验室中产生的与随后的X射线爆发相关的扭结不稳定性。

接下来，该团队计划探索单独的等离子体回路如何合并并重组为不同的配置。他们有兴趣了解在这种类型的相互作用中是否也存在能量爆发事件。

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