Солнечный зонд НАСА Parker Solar Probe пролетел достаточно близко к Солнцу, чтобы обнаружить тонкую структуру солнечного ветра вблизи места его генерации на поверхности Солнца, раскрывая детали, которые теряются, когда ветер выходит из короны в виде однородного взрыва заряженных частиц.
Это все равно, что видеть струи воды, выходящие из душевой лейки, сквозь струю воды, бьющую вам в лицо.
В статье, которая будет опубликована на этой неделе в журнале Nature, группа ученых под руководством Стюарта Д. Бейла, профессора физики Калифорнийского университета в Беркли, и Джеймса Дрейка из Университета Мэриленд-Колледж-Парк, сообщает, что зонд Parker Solar Probe обнаружил потоки высокоэнергетических частиц, которые соответствуют потокам супергрануляции в корональных дырах, что позволяет предположить, что именно в этих областях зарождается так называемый «быстрый» солнечный ветер.
Корональные дыры — это области, где линии магнитного поля выходят из поверхности, не закручиваясь обратно внутрь, образуя таким образом открытые линии поля, которые расширяются наружу и заполняют большую часть пространства вокруг Солнца. В периоды солнечного затишья эти дыры обычно находятся на полюсах, поэтому генерируемый ими быстрый солнечный ветер не попадает на Землю. Но когда Солнце становится активным каждые 11 лет, когда его магнитное поле переворачивается, эти дыры появляются по всей поверхности, порождая всплески солнечного ветра, направленного прямо на Землю.
Понимание того, как и где зарождается солнечный ветер, поможет предсказывать солнечные бури, которые, хотя и создают на Земле красивые авроры, могут также разрушать спутники и электросети.
«Ветры несут много информации от Солнца к Земле, поэтому понимание механизма возникновения солнечного ветра важно для практических целей на Земле», — сказал Дрейк. «Это повлияет на нашу способность понять, как Солнце высвобождает энергию и вызывает геомагнитные бури, которые представляют угрозу для наших коммуникационных сетей».
ярких точек, где линии магнитного поля воронками входят и выходят из поверхности Солнца. Ученые утверждают, что когда противоположно направленные магнитные поля проходят мимо друг друга в этих воронках, которые могут достигать 18 000 миль в поперечнике, поля часто разрываются и вновь соединяются, выбрасывая заряженные частицы за пределы Солнца.
«Фотосфера покрыта конвекционными ячейками, как в кипящей кастрюле с водой, а более масштабные конвекционные потоки называются супергрануляцией», — сказал Бейл. «Там, где эти супергрануляционные ячейки встречаются и идут вниз, они затягивают магнитное поле на своем пути в эту нисходящую воронку. Там магнитное поле становится очень интенсивным, потому что оно просто зажато. Это своего рода черпак магнитного поля, спускающийся в сток. И пространственное разделение этих маленьких стоков, этих воронок — это то, что мы видим сейчас в данных солнечного зонда».
На основании присутствия некоторых чрезвычайно высокоэнергетических частиц, обнаруженных зондом Parker Solar Probe, — частиц, движущихся в 10-100 раз быстрее, чем в среднем солнечный ветер, — исследователи пришли к выводу, что ветер мог возникнуть только в результате этого процесса, который называется магнитным пересоединением. Зонд был запущен в 2018 году в первую очередь для решения двух противоречивых объяснений происхождения высокоэнергетических частиц, из которых состоит солнечный ветер: магнитное пересоединение или ускорение плазмой или альфвеновскими волнами.
«Главный вывод заключается в том, что именно магнитное пересоединение внутри этих воронкообразных структур является источником энергии для быстрого солнечного ветра», — сказал Бейл. «Энергия не просто поступает отовсюду в корональную дыру, она субструктурируется внутри корональных дыр в эти супергрануляционные ячейки. Он исходит из этих маленьких пучков магнитной энергии, которые связаны с конвективными потоками. Наши результаты, как нам кажется, являются убедительным доказательством того, что это происходит благодаря пересоединению».
Воронкообразные структуры, вероятно, соответствуют ярким джетлетам, которые можно наблюдать с Земли в корональных дырах, о чем недавно сообщил Нур Рауафи, соавтор исследования и научный сотрудник проекта Parker Solar Probe в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса. APL, расположенная в Лореле, штат Мэриленд, спроектировала, построила, управляет и эксплуатирует космический аппарат.
«Разгадка тайны солнечного ветра была шестидесятилетней мечтой многих поколений ученых», — сказал Рауафи. «Теперь мы постигаем физическое явление, которое приводит в движение солнечный ветер в его источнике — короне».
Погружение в Солнце
К тому времени, когда солнечный ветер достигает Земли, расположенной в 93 миллионах миль от Солнца, он превращается в однородный, турбулентный поток бушующих магнитных полей, переплетенных с заряженными частицами, которые взаимодействуют с собственным магнитным полем Земли и выбрасывают электрическую энергию в верхние слои атмосферы. Это возбуждает атомы, создавая красочные авроры на полюсах, но имеет последствия, которые просачиваются в атмосферу Земли. Прогнозирование наиболее интенсивных ветров, называемых солнечными бурями, и их последствий вблизи Земли является одной из задач программы НАСА «Жизнь со звездой», которая финансирует «Паркер».
Зонд был создан для того, чтобы определить, как выглядит этот турбулентный ветер, возникающий вблизи поверхности Солнца, или фотосферы, и как заряженные частицы ветра — протоны, электроны и более тяжелые ионы, в основном ядра гелия — ускоряются, чтобы избежать солнечной гравитации.
Для этого Паркеру пришлось подойти ближе, чем на 25-30 солнечных радиусов, то есть ближе, чем примерно на 13 миллионов миль.
«Как только вы опускаетесь ниже этой высоты, 25-30 солнечных радиусов или около того, эволюция солнечного ветра становится намного меньше, и он становится более структурированным — вы видите больше отпечатков того, что было на Солнце», — сказал Бейл.
В 2021 году приборы «Паркера» зафиксировали изменения магнитного поля в волнах Альфвена, которые, по-видимому, были связаны с регионами, где генерируется солнечный ветер. К тому времени, когда зонд достиг примерно 12 солнечных радиусов от поверхности Солнца — 5,2 миллиона миль — данные показали, что зонд проходит через струи материала, а не просто турбулентность. Бейл, Дрейк и их коллеги проследили эти струи до ячеек супергрануляции в фотосфере, где магнитные поля сгущаются и воронкой устремляются к Солнцу.
Но ускоряются ли заряженные частицы в этих воронках за счет магнитного пересоединения, которое выбрасывает частицы наружу, или за счет волн горячей плазмы — ионизированных частиц и магнитного поля — выходящих из Солнца, как будто они плывут по волнам?
Тот факт, что Паркер обнаружил в этих струях частицы чрезвычайно высокой энергии — от десятков до сотен килоэлектронвольт (кэВ), в отличие от нескольких кэВ для большинства частиц солнечного ветра, — подсказал Бейлу, что именно магнитное пересоединение ускоряет частицы и генерирует волны Альфвена, которые, вероятно, придают частицам дополнительный импульс.
«Наша интерпретация заключается в том, что эти струи оттока при пересоединении возбуждают альфвеновские волны по мере их распространения», — сказал Бейл. «Это наблюдение хорошо известно из магнитохвоста Земли, где также наблюдаются подобные процессы. Я не понимаю, как затухание волн может привести к образованию этих горячих частиц с энергией до сотен кэВ, тогда как это происходит естественным образом в процессе пересоединения. И мы тоже видим это в наших симуляциях». «
Солнечный зонд «Паркер» не сможет приблизиться к Солнцу ближе, чем на 8,8 солнечных радиусов над поверхностью — около 4 миллионов миль — не поджарив свои приборы. Бейл надеется укрепить выводы команды с помощью данных с этой высоты, хотя Солнце сейчас входит в солнечный максимум, когда активность становится гораздо более хаотичной и может заслонить процессы, которые пытаются рассмотреть ученые.
«В начале миссии солнечного зонда было некоторое беспокойство по поводу того, что мы собираемся запустить эту штуку прямо в самую тихую, самую скучную часть солнечного цикла», — сказал Бейл. «Но я думаю, что без этого мы бы никогда не поняли этого. Все было бы слишком запутанно. Думаю, нам повезло, что мы запустили его в период солнечного минимума».
