Открытые зондом Solar Orbiter «костерки» объяснили температурную аномалию солнечной короны

Физика протекающих в звездах процессов — не до конца понятная область знаний, но при этом невероятно важная для познания законов Вселенной. Ученые давно обнаружили некоторую странность в температурах разных слоев Солнца. Его поверхность (фотосфера) разогрета «всего» до 4500-6000 градусов Цельсия, что существенно горячее конвективной зоны звезды, лежащей под ней. Температура этой области плавно повышается с вышеуказанных для фотосферы значений до двух миллионов градусов по мере углубления в недра Солнца.

Еще глубже расположена зона лучистого переноса, температура которой тоже растет по мере приближения к ядру звезды — с двух миллионов градусов до семи. И, наконец, центральная часть Солнца, его ядро, разогрето термоядерными реакциями до фантастических 15 миллионов градусов (уже не важно, Цельсия или Кельвина). Зависимость вполне очевидна: чем глубже, тем горячее, поэтому атмосфера звезды должна быть сравнительно холодной. Но это не так: в хромосфере гипотетический адамантиевый градусник покажет 25 тысяч градусов, а в простирающейся на миллионы километров вокруг Солнца короне плазма снова разогревается до миллиона градусов.

Да, корона невероятно разрежена, поэтому попавший в нее объект, скорее всего, испарится не из-за воздействия плазмы, а получив энергию от излучения звезды. Но факт остается труднообъяснимым: что передает улетучивающемуся с Солнца веществу такую большую энергию? Долгое время высказывали самые разные теории, но полноценно ответить на вопрос до сих пор не получается. Зато замечательный зонд Solar Orbiter, похоже, имеет все шансы как минимум приоткрыть завесу тайны над этими процессами.

«Костерки»

Через несколько месяцев после запуска ученые обработали первые полученные с Solar Orbiter данные. Аппарат был еще очень далек от своей целевой орбиты вокруг светила, но его инструменты начали работу — частично для калибровки и проверки, частично, чтобы начать сбор ценной информации как можно быстрее. На снимках, сделанных телескопом Extreme Ultraviolet Imager (EUI) на борту зонда, проявились совсем миниатюрные, по звездным меркам, вспышки.

Эти потоки плазмы, возникающие на высоте всего в одну-пять тысяч километров над фотосферой (видимой поверхностью звезды), получили прозвище «костерки» (campfires). Они имеют вытянутую форму (обусловленную дугами магнитных полей) и протяженность от 400 до четырех тысяч километров. Длительность таких маленьких солнечных вспышек не превышает трех с небольшим минут (200 секунд), а иногда они возникают всего на десятки секунд.

Что самое интересное, так это температура плазмы в этих образованиях: 1-1,6 миллиона градусов. В общем фоне излучения Солнца столь горячие (а значит, и яркие) вспышки почти незаметны, но возникают постоянно. В первом наборе снимков с Solar Orbiter ученые насчитали полторы тысячи «костерков», а наблюдения с помощью EUI проводили всего несколько часов. Учитывая подозрительно знакомые цифры температуры, логично предположить, что именно эти небольшие солнечные вспышки могут объяснить нагрев плазмы в короне.

Моделирование, раскрывшее механизм

Это смелое предположение требовало проверки. Яцзе Чэнь (Yajie Chen) из Пекинского университета и профессор Харди Петер (Hardi Peter) из Института исследования Солнечной системы Общества Макса Планка взялись за единственный инструмент, доступный астрофизикам в ожидании новых данных с Solar Orbiter, — моделирование. Объединив в компьютерной симуляции известные на данный момент процессы, которые происходят в фотосфере, они получили интересные результаты.

Модель учитывала излучение звезды в фотосфере и различные конфигурации магнитных полей. При определенных условиях симуляция выдавала картинку, невероятно похожую на реально наблюдаемые костерки. Рассказывая о своей работе, Чэнь и Петер аккуратно отмечают, что это лишь первое осторожное предположение и его еще предстоит не раз перепроверить. Но даже в таком свете предложенный механизм формирования выглядит многообещающе реалистичным.

В своем моделировании китайский и немецкий ученые предложили процесс составного пересоединения магнитных линий (component reconnection) в качестве основного механизма возникновения костерков. Явление магнитного пересоединения известно давно: встречающиеся друг с другом силовые линии магнитного поля разных доменов перестраиваются и высвобождают энергию. Обычно это происходит, когда такие пересоединяющиеся линии направлены друг навстречу другу.

Однако «костерки» формируются почти параллельными силовыми линиями магнитного поля, которые закручиваются в жгуты. Моделирование показывает, что высвобождающейся в результате этого процесса энергии достаточно для нагрева плазмы до наблюдаемых Solar Orbiter температур. А учитывая количество миниатюрных солнечных вспышек на поверхности звезды, и короны заодно.

Результаты работы представили и обсуждали на Генеральной ассамблее Европейского союза наук о Земле (EGU). Две соответствующие научные публикации размещены в рецензируемом журнале Astronomy & Astrophysics. А Европейское космическое агентство (ЕКА) подготовило подробный и красочный рассказ о многообещающем открытии.

Проверка гипотез и большие надежды

Созданный ЕКА зонд Solar Orbiter должен начать основную миссию в ноябре этого года. Он запущен в феврале 2020-го и рассчитан не менее чем на семь лет активной работы. Каждые полгода аппарат будет совершать сближение с Солнцем на рекордно близкие расстояния.

После каждого из них зонд слегка изменит наклонение орбиты и сможет наблюдать новые области звезды. На борту Solar Orbiter — десять научных инструментов для измерения параметров солнечной плазмы, высокоэнергетических частиц и магнитных полей. Ну и, конечно, камеры с телескопами — для оптического, ультрафиолетового и гамма-диапазонов электромагнитного излучения.

Полученные Чэнь и Петером результаты удастся проверить в ближайший год. Для этого ученые планируют объединить усилия с аппаратом NASA Solar Dynamics Observatory (SDO), находящимся на околоземной орбите. Когда это произойдет точно, сказать пока нельзя, известно одно: в распоряжении астрофизиков еще никогда не было настолько детализированных данных о Солнце.

Фактически каждый близкий пролет Solar Orbiter около звезды сулит ученым десятки открытий. А учитывая, что, помимо коллаборации с SDO, команда европейского зонда запланировала синхронизировать наблюдения с еще одним мощнейшим зондом — Parker Solar Probe, — нас ждет много невероятно интересных новостей.