После десятилетий поисков ученым удалось, наконец, проследить за возникновением и действием нановспышек, которые разогревают солнечную корону до миллионов градусов.
©Bahauddin et al., 2020
Чем выше от Земли, тем холоднее становится атмосфера. Однако на Солнце все происходит наоборот: глубокие слои его атмосферы разогреты «лишь» до 5000-6000 °С, тогда как температура внешней короны достигает миллионов градусов. Этот парадокс остается нерешенным до сих пор, хотя еще в 1970-х известный гелиофизик Юджин Паркер предположил, что дополнительное тепло в корону приносят «нановспышки».
Такие взрывные выбросы энергии должны быть куда многочисленнее обычных солнечных вспышек, но и в миллиарды раз слабее. Поэтому обнаружить их на чрезвычайно бурном светиле до сих пор не удавалось. Лишь в последние годы стали появляться отдельные косвенные свидетельства их существования. Так, в короне звезды нашли участки, разогретые именно так, как предсказывает теория нановспышек, а у Земли — поймали высокоэнергетические фотоны, которые могли быть выброшены именно таким процессом.
Лишь в наше время инструменты астрономов стали достаточно чувствительны для того, чтобы рассмотреть нановспышки. И первые прямые снимки удалось получить недавно благодаря спектрографу американского зонда IRIS. Об этом Шах Бахауддин (Shah Bahauddin) и его коллеги сообщают в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy.
«Из теории мы знаем, что искать, — сказал ученый в интервью пресс-службе NASA, — знаем, какой отпечаток должна оставить нановспышка». Он назвал два ключевых признака такого процесса. Во-первых, как и обычная вспышка, она должна возникать в процессе взрывного пересоединения силовых линий магнитного поля, что отражается крайне резким и мощным разогревом плазмы, нехарактерным для других процессов. Во-вторых, этот разогрев должен достигать короны, а не оставаться в более низких слоях солнечной атмосферы.
Ученые обратили внимание на небольшие (порядка сотни километров), но чрезвычайно яркие петли, которые аппарат зарегистрировал непосредственно на границе солнечной короны. Их температура действительно оказалась крайне высока, достигая миллионов градусов. Более того, плазма этих петель разогревалась очень странным образом. Солнце состоит из водорода и гелия с небольшим количеством других элементов. При этом в ярких петлях сравнительно легкие элементы (такие как кислород) разогревались слабее, чем более тяжелые (например, кремний).
«Если вы подтолкнете легкий мяч, он покатится по полу быстрее тяжелого, — объясняет Бахауддин. — Но в этом случае более тяжелые элементы выбрасываются на скорости около 60 миль в секунду (350 тысяч километров в час. — Прим. ред.), а легкие — почти на нуле. Это полностью контринтуитивно». Однако этот парадокс и стал важной уликой, за которую уцепились ученые.
Они смоделировали различные процессы, которые могут вызывать разогрев солнечной плазмы, показав, что лишь переключение линий магнитного поля способно передавать тяжелым ядрам больше энергии, чем легким. При таком переключении на краткое время возникает электрический ток, увлекающий ионы плазмы в движение. Чем дольше ион продолжает двигаться в этом направлении, тем сильнее ускоряется, поэтому более тяжелые ионы с их высокой инерцией успевают получить больше энергии. Легкие «сбиваются с пути» раньше и ускоряются слабее.
Таким образом, были выявлены оба признака нановспышек, о которых говорил Бахауддин. Более того, моделирование предсказало, что они должны возникать лишь в плазме с определенными пропорциями кислорода и кремния. Ученые проверили данные наблюдений — и действительно обнаружили, что яркие петли характеризуются нужным содержанием этих элементов.
Наконец, выводы удалось подтвердить и с помощью космической обсерватории SDO, ведущей наблюдения за солнечной короной. Они показали, что появление ярких петель неглубоко под ней спустя короткий промежуток времени приводит к разогреву соответствующего участка короны. В общей сложности получилось проследить 10 таких событий. «Всего с 20-секундной задержкой, — добавляет Бахауддин. — Мы видели увеличение яркости, а затем видели, что корона резко становится перегретой до многих миллионов градусов».
