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长期以来，科学家们一直对一个不同寻常的太阳谜团感到困惑：太阳外层大气，即日冕，比其下方的太阳表面温度高得多。更令人费解的是，太阳风——一股由带电粒子和磁场组成的连续流，从太阳向外流出，在进入太空时速度极快。湍流耗散的过程被认为是这两种效应的核心，在这个过程中，机械能转化为热能。然而，在太阳附近，环境几乎不会发生碰撞，这使得我们很难理解这种能量转移的确切发生方式。
一项基于帕克太阳探测器数据的新研究揭示了日冕中存在一种长期理论化的现象，即所谓的“螺旋度屏障”。图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心/CIL/Brian Monroe
为了探究这一谜团，研究人员参考了美国宇航局帕克太阳探测器的数据。该探测器目前保持着所有航天器最接近太阳的记录。通过直接穿过太阳大气层，帕克探测器为科学家们提供了前所未有的观测恒星周围环境的机会，使他们能够直接探索此前无法到达的区域。
这项研究的结果为先前提出的一种被称为“螺旋度屏障”的现象提供了强有力的证据。这种效应显著改变了湍流能量的耗散方式。具体来说，螺旋度屏障会干扰小尺度的能量传递，改变波动的分解方式以及周围等离子体最终的加热方式。
伦敦玛丽女王大学博士生、该研究的主要作者杰克·麦金泰尔评论道：“这一结果令人兴奋，因为通过确认‘螺旋度屏障’的存在，我们可以解释太阳风一些此前无法解释的特性，包括质子通常比电子更热。通过加深我们对湍流耗散的理解，它也可能对天体物理学中的其他系统产生重要影响。”
美国宇航局帕克太阳探测器。图片来源：NASA
研究小组还确定了这种屏障发生的具体条件。他们发现，当磁场强度相对于等离子体中的压力较大时，螺旋度屏障就会完全形成，而当构成湍流的反向传播等离子体波之间的不平衡性较大时，螺旋度屏障会变得更加明显。至关重要的是，这些条件在靠近太阳的太阳风中经常出现，而帕克太阳探测器目前正在探索太阳风，这意味着这种效应应该是普遍存在的。
伦敦玛丽女王大学空间等离子体物理学讲师兼麦金泰尔的导师克里斯托弗·陈博士补充道：“这篇论文意义重大，因为它为螺旋度屏障的存在提供了清晰的证据，从而解答了一些关于日冕加热和太阳风加速的长期问题，例如太阳大气中观察到的温度特征，以及不同太阳风流的变化。这使我们能够更好地理解湍流耗散的基本物理原理、小尺度物理与日球层整体特性之间的联系，并对空间天气做出更准确的预测。”
这一发现的意义远不止于我们自己的恒星，因为宇宙中许多炽热、弥散的天体物理等离子体也不存在碰撞。了解能量在这些环境中如何转化为热量，对天体物理学有着深远的影响。直接观测太阳风中的螺旋度屏障，为研究这些复杂的过程提供了一个独特的天然实验室。
编译自/scitechdaily
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