Разгадана ли тайна солнечной короны? Магнитные волны против термоядерного сердца

Одна из самых горячих загадок Солнца, возможно, близка к разгадке.

Десятилетиями ученые пытались понять, почему внешняя атмосфера Солнца, или корона, невероятно горячая, в то время как она находится дальше от ядра, чем поверхность. Если температура видимой поверхности (фотосферы) составляет «всего» около 5500°C, то раскаленная корона разогрета до миллионов градусов. Этот парадокс, известный как «проблема нагрева солнечной короны», долгое время не находил объяснения.

Теперь, благодаря наблюдениям нового высокоточного телескопа, ученые, наконец, обнаружили в атмосфере Солнца неуловимые «магнитные волны», которые могут быть ответственны за большую часть этого невероятного нагрева. Результаты исследования были опубликованы 24 октября в журнале Nature Astronomy.

Новые данные с Солнечного телескопа Дэниела К. Иноуэ (DKIST) на Гавайях — крупнейшего в мире наземного солнечного телескопа — помогают ученым понять, как энергия Солнца переносится через его атмосферу.

Солнечный парадокс

Как объяснил в интервью Live Science руководитель исследования Ричард Мортон, профессор Университета Нортумбрии (Великобритания), исследователи давно отмечали экстремальную температуру короны, а также сверхзвуковой поток нагретой плазмы, известный как солнечный ветер, который устремляется от Солнца со скоростью более миллиона миль в час.

Оба этих процесса требуют огромных затрат энергии. Ученые предполагали, что необходимая энергия генерируется бурной конвекцией на поверхности Солнца (чем-то похожей на кипение воды в кастрюле). Однако decades ago, при первых исследованиях, возникли сложности.

«Было неясно, как эта энергия передается в атмосферу и солнечный ветер, и как она преобразуется в тепло и импульс», — отметил Мортон.

Еще в 1942 году шведский физик плазмы Ханнес Альфвен (будущий нобелевский лауреат) предположил, что причиной могут быть магнитные волны. Но эти волны, названные в его честь альфвеновскими, до сих пор не удавалось обнаружить в короне.

«Это произошло потому, что чувствительность предыдущих инструментов была недостаточной, чтобы зафиксировать движение альфвеновских волн, — сказал Мортон. — Несмотря на это, многие численные модели и инструменты прогнозирования космической погоды предполагают их существование. Однако свойства волн, используемые в моделях, были лишь educated guesses».

Наблюдения «беспрецедентной» точности

Телескоп DKIST с его 4-метровым зеркалом обладает «беспрецедентным» разрешением и позволяет получать гораздо более «чистые» данные (с меньшим количеством шумов), чем любая предыдущая солнечная обсерватория. В своем новом исследовании ученые использовали спектрополяриметр телескопа (Cryo-NIRSP) для поиска корональных альфвеновских волн.

Cryo-NIRSP может фиксировать движения короны с помощью изображений, а также изучать изменения в плазме Солнца через явление, известное как доплеровский сдвиг — изменение частоты волны, когда источник и наблюдатель движутся друг относительно друга (классический пример — изменение звука сирены скорой помощи, когда она проезжает мимо).

«Cryo-NIRSP предоставил данные, которые позволили нам наблюдать характерный признак альфвеновских волн — это скручивание магнитного поля вперед-назад, — пояснил Мортон. — В данных это проявляется в виде чередующегося рисунка красных и синих доплеровских смещений по opposite sides магнитных полей. Мы обнаружили, что эти волны постоянно присутствовали во время наблюдений, и, учитывая, что наблюдаемая нами область ничем особенным не выделялась, это implies, что они, скорее всего, всегда присутствуют по всей остальной атмосфере».

«Возможно, самое главное, — продолжил он, — наш анализ указывает на то, что волны, вероятно, переносят значительное количество энергии».

Это важное открытие, поскольку астрономы давно спорят о том, что является основным механизмом нагрева короны: солнечные волны или магнитное пересоединение — явление, когда магнитные поля на Солнце скручиваются и, разрываясь, высвобождают огромную энергию.

В то время как различные космические аппараты уже находили свидетельства того, что магнитное пересоединение является драйвером нагрева, новые данные с DKIST показывают, что картина гораздо сложнее. Такие обсерватории, как солнечный зонд «Паркер» (NASA) и Solar Orbiter (ЕКА), вместе со свежими данными DKIST, демонстрируют, что «и волны, и пересоединение происходят постоянно по всей атмосфере Солнца», — сказал Мортон.

«Наше исследование подтверждает, что альфвеновские волны присутствуют и несут значительное количество энергии, потенциально составляя не менее половины от необходимой для нагрева короны, — добавил он. — Однако точную энергию, связанную с волнами, все еще сложно оценить».

От звезд до прогнозов погоды: Почему это открытие так важно?

Обнаружение альфвеновских волн — это не просто решение давней академической загадки. Оно имеет фундаментальное значение для нашего понимания Вселенной и практическое применение прямо здесь, на Земле.

Во-первых, это меняет наше представление о звездной эволюции. Соотношение между магнитным пересоединением и энергией альфвеновских волн влияет не только на нагрев короны, но и на светимость Солнца и других звезд. Более точные модели, учитывающие оба этих механизма, помогут астрофизикам понять, как формируются и развиваются планетные системы вокруг далеких светил, и точнее оценивать их потенциальную обитаемость.

Во-вторых, и это более приземленно, данное открытие — огромный шаг к улучшению прогнозирования космической погоды. Солнечный ветер, «подогреваемый» этими процессами, несет с собой мощные заряженные частицы. Когда они достигают Земли, то могут вызывать геомагнитные бури, которые выводят из строя спутники, нарушают работу энергосетей и систем связи. Понимание того, как энергия переносится и высвобождается в короне, позволит создавать более точные модели и предсказывать мощные солнечные вспышки и выбросы корональной массы за несколько дней, а не часов.

Наконец, это прорыв в фундаментальной физике. Солнце служит гигантской естественной лабораторией, где мы можем изучать поведение плазмы и экстремальные магнитные явления в условиях, недостижимых в земных лабораториях. Исследование альфвеновских волн на Солнце помогает проверить и уточнить теории, которые в будущем могут лечь в основу новых технологий, например, управляемого термоядерного синтеза.

Таким образом, разгадка тайны раскаленной короны — это не просто точка в научном споре. Это ключ, который открывает дверь к более глубокому пониманию нашего места во Вселенной, к защите наших технологий от гнева звезды и к покорению новых энергетических рубежей здесь, на Земле. И телескоп DKIST, только начав свою работу, уже доказал, что способен стать одним из главных «детективов», раскрывающих самые сокровенные секреты нашего Солнца.