Впервые на Солнце: телескоп DKIST снял вихри Кельвина — Гельмгольца на поверхности звезды

Изображение с разрешением 19 км на пиксель показало нестабильности, которые могут объяснить нагрев короны и магнитные eruptions. Ученые не искали их специально — находка стала сюрпризом.

Это самое высокое разрешение изображения Солнца, когда-либо полученное.

Оно было captured телескопом Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) на Гавайях, крупнейшим солнечным телескопом в мире, 14 апреля 2025 года.

Изображение приближает небольшой участок поверхности Солнца в видимом свете. Все изображение охватывает 5800 километров (3604 мили) по горизонтали и 4350 километров (2703 мили) по вертикали, покрывая лишь 0,0004% поверхности Солнца. Каждый пиксель — 19 километров (11,8 мили) на сторону.

Присмотритесь к сеткообразному узору и попробуйте заметить маленькие завихрения среди перистых краев.

Вот два пятна с закрученной плазмой.

Другой участок того же изображения показывает еще больше отпечатков KHI, что позволяет предположить, что эти нестабильности могут быть обычным явлением на поверхности Солнца.

Крошечные завихрения и вихри называются нестабильностями Кельвина — Гельмгольца, и это первое наблюдательное подтверждение того, что они существуют на Солнце. Завихрения являются проявлениями физического процесса, который может играть crucial роль в том, как солнечная плазма bubbles и bursts.

«Нестабильности Кельвина — Гельмгольца — один из фундаментальных процессов нестабильности в магнитоfluидах, жидкостях и газах», — сказал Дэвид Куридзе. Куридзе изучает плазму в солнечной атмосфере в Национальной солнечной обсерватории (NSO) в Боулдере, Колорадо, и является со-руководителем исследования.

«Мы не ставили целью найти нестабильности Кельвина — Гельмгольца, — добавил со-руководитель исследования Фридрих Вёгер, изучающий динамику потоков солнечной фотосферы в NSO. — Эксперимент был нацелен на поиск наиболее эффективного способа достижения дифракционного предела телескопа. И приятно, что не только это удалось, но мы также нашли нестабильности Кельвина — Гельмгольца».

Нестабильности Кельвина — Гельмгольца могут быть повсюду на Солнце.

Когда плазма течет мимо

Нестабильности Кельвина — Гельмгольца (KHI) вызываются краями двух потоков жидкости, текущих мимо друг друга с разными скоростями. И «жидкость» — довольно широкий термин, геофизически говоря. Ученые замечали эти завихрения и вихри в эстуариях и океанах, а также в земных облаках; небесах Марса, Юпитера и Сатурна; и взаимодействиях между солнечным ветром и планетарными магнитосферами, объяснил Куридзе.

Астрономы давно подозревали, что KHI существуют на поверхности Солнца. Солнечная фотосфера — жидкостная плазма, поэтому было бы логично, чтобы она следовала тем же правилам, что и любая другая жидкость, albeit с добавлением complications магнитного поля Солнца. Более того, существование KHI могло бы объяснить некоторые из более загадочных явлений Солнца, такие как заплетенные линии магнитного поля, eruptions и ультрагорячая корона.

«Нестабильности Кельвина — Гельмгольца — очень эффективный механизм для скручивания и изгиба магнитных структур» и генерации магнитной энергии, сказал Куридзе.

«Один из больших вопросов: сколько энергии эти вихри могут создать и перенести вверх во внешнюю атмосферу Солнца, и достаточно ли этого, чтобы нагреть ее до миллионов градусов Кельвина?» — сказал Вёгер.

Но до недавнего времени заметить эти нестабильности на поверхности Солнца было невозможно. Выделение маленьких вихрей в солнечной плазме требует специализированных инструментов, установленных на солнечных телескопах, а предыдущие поколения солнечных телескопов были просто недостаточно мощными, чтобы их увидеть. Когда DKIST заработал в 2019 году, его 4-метровое (13-футовое) зеркало сразу изменило правила игры, позволив астрономам видеть bubbling, кипящую солнечную поверхность на нескольких длинах волн и в меньших масштабах, чем когда-либо прежде. «Разрешающая способность DKIST эквивалентна нахождению монеты в 25 центов с расстояния 50 километров», — сказал Михаил Матиудакис, солнечный астрофизик из Университета Куинс в Белфасте, Великобритания.

Вихри, которые могут объяснить тайны Солнца

Солнце — это не просто шар из огня. Это сложная, динамичная система, в которой плазма, магнитные поля и энергия взаимодействуют на всех масштабах.

Нестабильности Кельвина — Гельмгольца — это один из ключевых процессов. Они возникают, когда два потока жидкости движутся с разными скоростями. На Земле их можно увидеть в облаках, океанах, даже в чашке кофе. На Солнце они могут играть гораздо более важную роль.

Почему? Потому что KHI генерируют магнитную энергию. А магнитная энергия — это топливо для солнечных вспышек, корональных выбросов массы и нагрева короны.

Корона Солнца — одна из величайших загадок астрофизики. Она в миллионы раз горячее поверхности. Почему? Никто точно не знает. Но KHI могут быть частью ответа. Они создают вихри, которые переносят энергию вверх, в атмосферу Солнца.

До сих пор эти вихри существовали только в теории. Теперь они видны. И это открывает новую главу в изучении Солнца.

DKIST будет продолжать наблюдения. BepiColombo и другие миссии добавят данные. И постепенно мы поймем, как работает наша звезда. И, возможно, сможем предсказывать ее eruptions — события, которые влияют на всю Солнечную систему.

Источники: NSF/NSO/AURA/MPS, National Solar Observatory, Daniel K. Inouye Solar Telescope, заявления Дэвида Куридзе, Фридриха Вёгера и Михаила Матиудакиса.