太阳是一个异类的地方，在那里，地球上罕见的物质状态翻腾、缠绕，有时会爆发到太空中。尽管进行了数十年的望远镜监测，科学家们仍然缺乏对这些爆发如何以及为何发生的根本理解。在过去的几十年里，物理学家们试图在实验室的可控环境中重现太阳表面的情况。最近在普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）完成的一项研究正在产生有趣的结果。
在位于新泽西州普林斯顿主校区以北约五公里的地方，等离子体实验室是一座由乏味的建筑组成的综合体，里面的设备看起来像是蒸汽朋克和《星际迷航》技术的混合体。其中一件硬件，磁重联实验（MRX），是一个直径1.5米、长约2米的圆柱形金属腔室——内部足够大，可以让人在里面爬行。MRX建于1995年，旨在研究一种称为重联的过程，即磁力线的碰撞，这是太阳爆发的核心。该设备使用的技术与PPPL工作中占据主导地位的各种核聚变实验类似。
物理学研究生克莱顿·迈尔斯和他的导师、MRX首席研究员正明（Masaaki Yamada）最近为这个腔室配备了一套线圈和铜电极装置，以模拟所谓的日冕物质抛射（CME）期间的条件。当磁能积聚在太阳表面上方并达到临界点时，就会发生这些事件，导致太阳向太空喷射等离子体和磁场。“能量存储发生在很长的时间尺度上，而爆发发生得非常快，”迈尔斯说。“我们最大的问题是触发因素。到底是什么决定了它何时断裂，何时无法容纳更多的磁能？”
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研究人员在实验中放置了载有电流的线圈，以模拟太阳黑子，即太阳上磁场活跃的区域，电流在表面下流动。在这些线圈的顶部，两个铜电极充当等离子体环的锚点，该等离子体环模拟太阳表面或光球上方的等离子体弧。科学家们通过电极中的微小孔向腔室注入气体，然后施加电压将气体从室温加热到 100,000 度的等离子体。一旦太阳模拟器设置完毕，实验就会逐渐将越来越多的磁能推入等离子体中，高速摄像机观察能量是否被限制住，或者是否达到临界点并爆发。
整个过程发生得非常快；科学家们有时一天进行 300 次运行，或称“射击”。迈尔斯构建了一个由七个长探针组成的阵列，每个探针沿其长度有 50 个线圈，以测量腔室中数百个位置不断变化的磁场。
在实验中，爆发的发生频率低于预期，研究人员发现，磁力的一个组成部分，称为张力，它将等离子体束缚在太阳上并阻碍爆发，可能比之前认为的更重要。“克莱顿的数据非常令人兴奋，”山田说。“我们正在太阳耀斑中发现一种非常有趣的新现象。”
迈尔斯说，他的结果与现有理论之间的差异可能涉及理论和实验的失败。“当然，有一些我们没有做的事情是太阳正在做的，而识别这些事情非常重要。”一个例子是实验腔室本身的结构。“太阳没有的是外墙，”他说。“这对我们来说实际上是一个大问题。”
尽管如此，像普林斯顿项目这样的实验室实验仍然可以令人惊讶地适用于太阳的情况，因为太阳的大小和时间尺度差异很大。“原因是，如果你查看描述这种现象的基本物理方程，这些方程没有固有的尺度；即使你把它们放大一百万倍，它们也能工作，”加州理工学院物理学家保罗·贝兰说，他运行着一个竞争性的太阳实验室实验。而且，由于远程观测只能揭示当前太阳上发生的事情的有限信息，实验室天体物理实验提供了独特的机会。美国海军研究实验室（位于华盛顿特区）的天体物理学家维亚切斯拉夫·卢金说，MRX项目“是对太阳上假定正在发生的物理过程进行仔细而系统的研究的一个很好的例子，而这只有在实验室环境中才有可能”。
除了阐明我们最近的恒星的复杂物理学之外，诸如此类的实验还可以提供实际的好处，因为日冕物质抛射可能会对地球造成严重破坏。当太阳向我们星球的方向喷射出日冕物质抛射时，等离子体会撞击地球的磁场，释放的能量会扰乱卫星通信，甚至瘫痪地面上的电网。更好地了解触发日冕物质抛射的因素可以改进预测，并在太阳的怒火袭来时提供宝贵的提前预警。