Quando um extintor de incêndio é aberto, o dióxido de carbono comprimido forma cristais de gelo em torno do bico, fornecendo um exemplo visual do princípio da física de que gases e plasmas resfriam à medida que se expandem. Quando nosso sol expele plasma na forma de vento solar, o vento também esfria à medida que se expande pelo espaço - mas não tanto quanto as leis da física prevêem.

Em um estudo publicado em 14 de abril no Proceedings of the National Academy of Sciences , Os físicos da Universidade de Wisconsin-Madison fornecem uma explicação para a discrepância na temperatura do vento solar. Suas descobertas sugerem maneiras de estudar os fenômenos do vento solar em laboratórios de pesquisa e aprender sobre as propriedades do vento solar em outros sistemas estelares.

“As pessoas têm estudado o vento solar desde sua descoberta em 1959, mas existem muitas propriedades importantes deste plasma que ainda não são bem compreendidas, "diz Stas Boldyrev, professor de física e principal autor do estudo. "Inicialmente, pesquisadores pensaram que o vento solar tem que esfriar muito rapidamente à medida que se expande do sol, mas as medições de satélite mostram que, à medida que atinge a Terra, sua temperatura é 10 vezes maior do que o esperado. Então, uma questão fundamental é:por que não esfria? "

O plasma solar é uma mistura fundida de elétrons carregados negativamente e íons carregados positivamente. Por causa dessa cobrança, plasma solar é influenciado por campos magnéticos que se estendem para o espaço, gerado sob a superfície solar. À medida que o plasma quente escapa da atmosfera mais externa do Sol, sua coroa, ele flui através do espaço como vento solar. Os elétrons no plasma são partículas muito mais leves do que os íons, então eles se movem cerca de 40 vezes mais rápido.

Com mais elétrons carregados negativamente fluindo para longe, o sol assume uma carga positiva. Isso torna mais difícil para os elétrons escaparem da atração do sol. Alguns elétrons têm muita energia e continuam viajando por distâncias infinitas. Aqueles com menos energia não podem escapar da carga positiva do sol e são atraídos de volta para o sol. Como eles fazem, alguns desses elétrons podem ser desviados ligeiramente por colisões com o plasma circundante.

"Há um fenômeno dinâmico fundamental que diz que as partículas cuja velocidade não está bem alinhada com as linhas do campo magnético não são capazes de se mover para uma região de um campo magnético forte, "Boldyrev diz." Esses elétrons que retornam são refletidos de modo que fluem para longe do sol, mas, novamente, eles não podem escapar por causa da força elétrica atrativa do sol. Então, o destino deles é saltar para a frente e para trás, criando uma grande população dos chamados elétrons presos. "

Em um esforço para explicar as observações de temperatura no vento solar, Boldyrev e seus colegas, Cary Forest e Jan Egedal, professores de física da UW-Madison, olharam para um parente, mas distinto, campo da física do plasma para uma possível explicação.

Na época em que os cientistas descobriram o vento solar, pesquisadores de fusão de plasma estavam pensando em maneiras de confinar o plasma. Eles desenvolveram "máquinas de espelho, "ou linhas de campo magnético preenchidas com plasma em forma de tubos com extremidades comprimidas, como garrafas com gargalos abertos nas duas extremidades.

À medida que as partículas carregadas no plasma viajam ao longo das linhas de campo, eles alcançam o gargalo e as linhas do campo magnético são comprimidas. A pinça atua como um espelho, refletindo as partículas de volta para a máquina.

"Mas algumas partículas podem escapar, e quando eles fazem, eles fluem ao longo das linhas de campo magnético em expansão fora da garrafa. Porque os físicos querem manter este plasma muito quente, eles querem descobrir como a temperatura dos elétrons que escapam da garrafa diminui fora dessa abertura, "Boldyrev diz." É muito semelhante ao que acontece com o vento solar que se expande para longe do sol. "

Boldyrev e colegas pensaram que poderiam aplicar a mesma teoria das máquinas de espelho ao vento solar, olhando para as diferenças nas partículas presas e aquelas que escapam. Em estudos de máquina de espelho, os físicos descobriram que os elétrons muito quentes que escapavam da garrafa eram capazes de distribuir sua energia térmica lentamente para os elétrons aprisionados.

"In the solar wind, the hot electrons stream from the sun to very large distances, losing their energy very slowly and distributing it to the trapped population, " Boldyrev says. "It turns out that our results agree very well with measurements of the temperature profile of the solar wind and they may explain why the electron temperature declines with the distance so slowly, " Boldyrev says.

The accuracy with which mirror machine theory predicts solar wind temperature opens the door for using them to study solar wind in laboratory settings.

"Maybe we'll even find some interesting phenomena in those experiments that space scientists will then try to look for in the solar wind, " Boldyrev says. "It's always fun when you start doing something new. You don't know what surprises you'll get."