Недавние исследования, основанные на сотрудничестве двух самых современных космических зондов для исследования Солнца — Solar Orbiter ЕКА и Parker Solar Probe НАСА, — наконец-то дали ответ на вопрос, который мучил ученых на протяжении десятилетий: откуда берется энергия, необходимая для нагрева и ускорения солнечного ветра?
Солнечный ветер — устойчивый поток частиц, вырывающихся из солнечной атмосферы (короны) и проносящихся мимо Земли, — стал предметом пристального изучения с момента его открытия в 1950-х годах. Его «быстрая» составляющая, движущаяся со скоростью около 1,8 млн км/ч, всегда представляла собой особую загадку: как он может ускоряться и сохранять свою температуру, расширяясь в межпланетное пространство?
Исследование, проведенное под руководством Йейми Ривера и Сэмюэля Бэдмана из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института, убедительно доказало, что именно крупномасштабные колебания магнитного поля Солнца, известные как волны Альфвена, обеспечивают энергию, необходимую для работы солнечного ветра.
Альфвеновские волны
Альфвеновские волны — это тип волн, возникающих в плазме, то есть горячем газе в наэлектризованном (ионизованном) состоянии, например, в атмосфере Солнца. В отличие от обычных газов, таких как земная атмосфера, где распространяются только звуковые волны, в плазме взаимодействие между заряженными частицами и магнитными полями позволяет образовывать совершенно особые волны — волны Альфвена.
Эти волны распространяются вдоль линий магнитного поля и способны очень эффективно переносить энергию через плазму. Энергия, запасенная в обычном газе, представлена плотностью, температурой и скоростью частиц. В плазме же энергия хранится не только в самих частицах, но и в магнитном поле. Поэтому волны Альфвена имеют фундаментальное значение для понимания того, как энергия переносится и рассеивается в солнечной атмосфере.
Solar Orbiter и Parker Solar Probe оснащены передовыми приборами для измерения свойств плазмы, включая магнитное поле, что позволяет ученым напрямую изучать волны Альфвена и их роль в солнечных процессах.
Тайна ускорения солнечного ветра
В рамках этого исследования Solar Orbiter и Parker Solar Probe работали в тандеме. В феврале 2022 года произошло удачное выравнивание, позволившее двум зондам взять пробы одного и того же потока солнечного ветра на разных расстояниях от Солнца. Solar Orbiter, находящийся в 89 млн км от Солнца, пересек поток через пару дней после американского зонда, находящегося в 9 млн км от нашей звезды. Это двойное измерение стало важной точкой сравнения для понимания эволюции солнечного ветра по мере удаления от его источника.
Сравнительный анализ данных, собранных Solar Orbiter и Parker Solar Probe, позволил исследовательской группе обнаружить, что вблизи Солнца, где американский зонд проводил свои измерения, около 10% всей энергии солнечного ветра содержалось в магнитном поле.
Однако на расстоянии европейского зонда этот процент снизился до 1 %, но плазма ускорялась и охлаждалась медленнее, чем ожидалось. Это наблюдение позволило исследователям сделать вывод, что потерянная магнитная энергия подпитывает ускорение солнечного ветра и замедляет его охлаждение, обеспечивая дополнительный нагрев.
В частности, исследование показало важность магнитных конфигураций, известных как коммутаторы — большие отклонения в линиях солнечного магнитного поля — в процессе ускорения ветра. Эти обратные волны являются примерами волн Альфвена и содержат достаточно энергии, чтобы быть ответственными за недостающую часть ускорения и нагрева быстрого солнечного ветра.
Последствия
Эти открытия не только проливают новый свет на механизмы, управляющие нашим Солнцем, но и имеют более широкие последствия для понимания других звездных систем. Наше Солнце — единственная звезда во Вселенной, чей ветер мы можем измерить напрямую. Поэтому то, что мы узнали о нашем Солнце, потенциально применимо как минимум к другим звездам солнечного типа, а возможно, и к другим типам звезд, у которых есть ветер.
В будущем исследователи уже работают над тем, чтобы распространить свой анализ на более медленные формы солнечного ветра и выяснить, играет ли энергия магнитного поля Солнца роль в их ускорении и нагреве.
Таким образом, это исследование обещает углубить наше понимание солнечных процессов и их последствий для космической и земной среды, открывая новые горизонты в изучении и прогнозировании космических условий.
Вот статья, опубликованная в журнале Science.
