加州理工学院的研究人员模拟了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。

日冕环是由等离子体组成的拱形，从太阳表面突出，沿着磁场线排列。磁场线就像带电粒子的高速公路，引导组成等离子体的电子和离子的运动。这些环可能在太阳表面上方10万公里处投射，可以持续几分钟到几小时。这种环通常生长和进化缓慢，但有时会突然向太空喷射出巨大的能量——比地球上最强大的核爆炸还要强数十亿倍。这种突然爆发的能量被称为太阳耀斑。

耀斑中的一些能量以带电粒子和“硬x射线”的形式存在，这是一种高能电磁波，就像医生办公室里用来成像骨头的那种。地球自身的磁场和大气层就像一块盾牌，保护地球表面的生命不被这些能量洪流烤熟，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它们产生能量的机制。

研究人员有两种方法来破译这些循环是如何以及为什么形成和改变的。第一种是观测太阳，并希望捕捉到足够详细的现象，以获得相关的信息。第二种方法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·贝兰选择了后者。

模拟循环

贝兰实验室的模拟日冕环。

在加州理工学院应用物理实验室(Thomas J. Watson, Sr.)一层的实验室里，贝兰建造了一个真空室，里面有两个电极。为了模拟这一现象，他给一个电容器充电，其能量足以让帕萨迪纳市运转几微秒，然后将其通过电极放电，形成一个微型日冕环。

每个循环持续约10微秒，长度约20厘米，直径约1厘米。但在结构上，贝兰的循环与真实的循环完全相同，这为他和他的同事们提供了随心所欲地模拟和研究它们的机会。

贝兰是4月6日发表在《自然天文学》上的一篇关于太阳耀斑的新论文的高级作者，他说:“每个实验消耗的能量大约相当于一个100瓦的灯泡运行一分钟，而给电容器充电只需要几分钟。”贝兰用一台每秒能拍摄1000万帧的相机捕捉每一个循环，然后他研究产生的图像。

耀斑

在最近的发现中，太阳日冕环似乎不是一个单一的结构，而是由类似于一条大绳子的分形编织线组成。

“如果你解剖一根绳子，你会发现它是由单独的辫子组成的，”研究生、《自然·天文学》论文的主要作者张扬说。“把这些单独的线分开，你会看到它们是更小的线编成的辫子，以此类推。等离子环似乎也是这样工作的。”

事实证明，这种结构对于与太阳耀斑相关的高能粒子和x射线爆发的产生非常重要。等离子体是一种强导电体——想想霓虹灯，它充满了等离子体，当电流通过时就会发光。然而，当太多的电流试图通过日冕环时，结构就会受损。这个环会产生一个扭结——一种螺旋形的不稳定性——并且个别的链开始断裂。每条断裂的新链都将张力倾泻到剩余的链上。

应用物理学和材料科学博士后研究员、《自然天文学》论文的合著者赛斯·普里说:“就像一根松紧带被拉得太紧一样，环会变得越来越长、越来越细，直到线断裂。”

研究小组一微秒一微秒地研究了这一过程，发现了与x射线爆发相关的负电压尖峰，而x射线爆发恰好发生在股链断裂的瞬间。这种电压尖峰类似于水管收缩处的压降。来自电压尖峰的电场将带电粒子加速到极高的能量，然后当高能粒子减速时，x射线就会发射出来。

此外，张教授还梳理了太阳耀斑的图片，并能够记录一种与实验室中产生的扭结不稳定性类似的不稳定性，这种不稳定性与随后的x射线爆发有关。

耀斑

真实的太阳耀斑(上)和贝兰实验室模拟的(下)之间的结构相似性。

 
图源:贝兰实验室

接下来，该团队计划探索不同的等离子体环如何合并和重组成不同的配置。他们有兴趣了解在这种类型的相互作用中是否也有能量爆发事件。

这篇论文的标题是“从多个编织等离子体环中产生实验室纳米耀斑”。这项研究是由国家科学基金会和能源高级研究计划局(ARPA-E)资助的。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。