Группа ученых из Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка (MPS) в Германии значительно продвинулась в понимании одной из самых неприятных загадок Солнца: как наша звезда приводит в движение частицы, из которых состоит Солнце. Солнечный ветер в космос?
Эта информация предлагает четкую перспективу важной области солнечной короны, до которой ранее было трудно добраться исследователям. Там команда впервые зафиксировала динамическую сеть плазменных структур, напоминающую длинную переплетенную паутину. При объединении данных различных космических зондов и всестороннего компьютерного моделирования возникает отчетливая картина: магнитная энергия высвобождается, и частицы улетают в космос, где взаимодействуют удлиненные структуры корональной паутины.
Геостационарные оперативные экологические спутники (GOES) Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) традиционно занимались другими вещами, помимо Вс.
Исследовательская кампания по наблюдению за протяженной солнечной короной проводилась в августе и сентябре 2018 года. В течение более месяца солнечный ультрафиолетовый тепловизор (SUVI) компании GOES, как обычно, смотрел прямо на Солнце и делал снимки по обе стороны от него.
Доктор Дэн Ситон из SwRI, который был главным научным сотрудником SUVI во время наблюдательной кампании, сказал: «У нас была редкая возможность использовать инструмент необычным способом для наблюдения за регионом, который еще не был исследован. Мы даже не знали, сработает ли это, но если бы это сработало, мы бы сделали важные открытия».
Промежуточная корона, слой солнечной атмосферы на 350 тысяч километров выше видимого поверхность Солнца, впервые удалось сфотографировать в ультрафиолетовом свете, объединив фотографии с разных ракурсов, что значительно увеличило поле зрения прибора.
Доктор Прадип Читта из MPS, ведущий автор нового исследования, сказал: «В средней короне у солнечных исследований было что-то вроде слепого пятна. Данные GOES теперь обеспечивают значительное улучшение. В средней короне исследователи подозревают процессы, которые управляют и модулируют солнечный ветер».
© Nature Astronomy, Читта и др. / GOES/SUVI / SOHO/LASCO
Одним из самых обширных аспектов нашей звезды является солнечный ветер. Гелиосфера, пузырь разреженной плазмы, обозначающий сферу влияния Солнца, создается потоком заряженных частиц, которые Солнце запускает в космос и достигает пределов нашей Солнечной системы. Солнечный ветер делится на быструю и медленную составляющие в зависимости от его скорости. Внутренности корональных дыр, области, которые кажутся темными в корональном ультрафиолетовом излучении, являются местом возникновения так называемого быстрого солнечного ветра, который может двигаться со скоростью более 500 километров в секунду. Однако меньше известно о происхождении медленного солнечного ветра. Однако даже частицы медленного солнечного ветра путешествуют в космосе со сверхзвуковой скоростью от 300 до 500 км/с.
Горячая корональная плазма свыше одного миллиона градусов должна покинуть Солнце, чтобы сформировать медленный солнечный ветер. Какой механизм здесь работает? Более того, медленный солнечный ветер не является однородным, а обнаруживает, по крайней мере частично, лучеобразную структуру из четко различимых стримеров. Где и как они возникают? Эти вопросы рассматриваются в новом исследовании.
На данных GOES можно увидеть область вблизи экватора, которая привлекла внимание исследователей: две корональные дыры, где солнечный ветер беспрепятственно уходит от Солнца, вблизи области с сильное магнитное поле. Эти системные взаимодействия считаются потенциальными источниками вялотекущего солнечного ветра.
Средняя корона над этой областью изображается удлиненными плазменными структурами, которые по данным GOES направлены радиально наружу. Это явление, непосредственно наблюдаемое впервые, коллектив авторов называет корональной паутиной. Структуры сети часто взаимодействуют и реорганизуются.
Исследователям давно известно, что солнечная плазма внешней короны имеет аналогичную структуру. В течение десятилетий коронограф LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) на борту космического корабля SOHO, отметившего в прошлом году свое 25-летие, обеспечивает изображения этого региона в видимом свете.
Ученые считают, что медленный солнечный ветер, который начинает свое путешествие в космос, имеет структуру, аналогичную структуре струйного течения. Как впечатляюще показало недавнее исследование, эта структура преобладает уже в середине корона.
Исследователи также изучили информацию с других космических аппаратов, чтобы лучше понять явление: одновременная картина поверхности Солнца была предоставлена Обсерваторией солнечной динамики НАСА (SDO), а вид сбоку был предоставлен космическим кораблем STEREO-A, который вращается вокруг Солнца раньше Земли с 2006 года.
Доктор Купер Даунс из Predictive Science Inc., проводивший компьютерное моделирование, сказал: «Используя современные вычислительные методы, включающие наблюдения Солнца с помощью дистанционного зондирования, исследователи могут использовать суперкомпьютеры для создания реалистичных 3D-моделей неуловимого магнитного поля в солнечной короне. В этом исследовании команда использовала усовершенствованную магнитогидродинамическую (МГД) модель для моделирования магнитного поля короны и состояния плазмы для этого периода».
Доктор Купер Даунс из Predictive Science Inc., проводивший компьютерное моделирование, сказал: «Это помогло нам связать захватывающую динамику, которую мы наблюдали в средней короне, с преобладающими теориями формирования солнечного ветра».
Читта — сказал, «Как показывают расчеты, структуры корональной паутины следуют силовым линиям магнитного поля. Наш анализ предполагает, что архитектура магнитного поля в средней короне отпечатана на медленном солнечном ветре и играет важную роль в ускорении частиц в космосе. Согласно новым результатам группы, горячая солнечная плазма в средней короне течет вдоль открытых силовых линий магнитного поля корональной паутины. Там, где силовые линии пересекаются и взаимодействуют, высвобождается энергия».
«Многое говорит о том, что исследователи подошли к фундаментальному явлению. В периоды высокой солнечной активности корональные дыры часто возникают вблизи экватора в непосредственной близости от областей с высокой напряженностью магнитного поля. Поэтому корональная сеть, которую мы наблюдали, вряд ли будет единичным случаем».
Команда надеется получить дальнейшие и более подробные сведения о будущих солнечных миссиях. Некоторые из них, такие как миссия ESA Proba-3, запланированная на 2024 год, оснащены приборами для наведения на среднюю корону. MPS участвует в обработке и анализе данных этой миссии. Вместе с данными наблюдений от действующих в настоящее время зондов, таких как солнечный зонд НАСА Parker и солнечный орбитальный аппарат ЕКА, которые покидают линию Земля-Солнце, это позволит лучше понять трехмерную структуру корональной паутины.
Справочник журнала:
- Л. П. Читта, Д. Б. Ситон, К. Даунс, К. Э. ДеФорест, А. К. Хиггинсон. Прямые наблюдения сложной корональной паутины, управляющей высокоструктурированным медленным солнечным ветром. Астрономия природы, 24 ноября 2022 г. DOI: 10.1038/s41550-022-01834-5
