Солнце — гигантский шар раскаленной плазмы, где непрерывно сталкиваются потоки вещества и магнитные поля. Видимая поверхность светила — фотосфера — покрыта гранулами, возникающими в результате конвекции: горячая плазма поднимается из недр, охлаждается и вновь опускается вниз. Между этими потоками формируются компактные области с сильным магнитным полем. Из-за них возникают солнечные пятна, вспышки и другие проявления активности.
Правда, многие процессы в этих областях происходят на масштабах всего в несколько десятков километров, поэтому до сих пор их не наблюдали. Ученые много лет предполагали, что на границах магнитных структур должна возникать неустойчивость Кельвина — Гельмгольца, при которой два потока, движущиеся с разной скоростью, закручиваются в характерные вихри. Такие структуры встречаются в земной атмосфере, океанах и магнитосферах планет, однако на поверхности Солнца их до сих пор никто напрямую не наблюдал.
Авторы новой научной работы, опубликованной в журнале Nature, использовали крупнейший в мире солнечный телескоп «Дэниел Иноуэ» (Daniel K. Inouye Solar Telescope, DKIST). Благодаря высокому разрешению астрономы детально рассмотрели фотосферу. Вместо относительно гладких границ между магнитными образованиями и окружающей плазмой они обнаружили множество небольших вихрей и тонких «полос», что постоянно возникали вдоль этих границ.
Всего ученые проанализировали 47 подобных объектов. Выяснилось, что расстояние между соседними вихрями обычно составляет 65 километров, а их размеры варьируются примерно от 25 до 170 километров. Причем вихри развиваются всего за несколько десятков секунд и перемещаются со скоростью до трех километров в секунду.
Затем исследователи сравнили снимки с высокоточными магнитогидродинамическими моделями солнечной атмосферы и практически полностью воспроизвели увиденную картину: размеры вихрей, скорость их формирования и особенности движения плазмы совпали.
Расчеты показали, что причина возникновения вихрей — сильные сдвиги скоростей вдоль границ магнитных полей. Потоки плазмы, движущиеся рядом с областями мощного магнитного поля, начинали скользить друг относительно друга. Из-за этого поверхность региона становилась неустойчивой и быстро покрывалась закрученными структурами.
Интересно, что со временем вихри становятся больше. Они объединяются между собой и порождают более мелкие вихри, постепенно формируя турбулентность. Такое перемешивание делает перенос массы, энергии, импульса и магнитного потока между различными областями фотосферы проще. Вместе эти процессы, судя по всему, участвуют в нагреве внешних слоев солнечной атмосферы.