Температура короны — внешнего разреженного слоя солнечной атмосферы — поднимается до 1,1 миллионов градусов Цельсия, в то время как на 1600 км ниже температура составляет около 5500℃. Как Солнце проделывает такой трюк, является одним из величайших вопросов астрофизики. Учёные называют это проблемой нагрева солнечной короны. Новая историческая миссия Parker Solar Probe NASA, запуск которой планируется не раньше 11 августа 2018, пролетит сквозь корону и даст учёным возможность разгадать её тайну.
Солнечная корона простирается на миллионы километров над фотосферой Солнца. Затем она становится солнечным ветром – сверхзвуковым потоком плазмы, пронизывающим всю Солнечную систему. Получается, что Земля находится внутри расширенной атмосферы Солнца. Чтобы понять устройство короны и узнать все её секреты, необходимо изучить не только звезду, управляющую жизнью на Земле, но и само пространство вокруг нас.
150-летняя тайна
История проблемы нагрева солнечной короны начинается с одной линии в спектре Солнца, которая была замечена во время полного затмения 1869 года. Поскольку разные элементы излучают свет на разных длинах волн, учёные могут использовать спектрометры для анализа солнечного света и определения его состава. Однако зелёная линия 1869 года не соответствовала никаким известным на Земле элементам. Учёные подумали, что, возможно, они обнаружили новый элемент, и назвали его короний.
Спустя 70 лет шведский физик открыл элемент, ответственный за эмиссию железа, ионизированного тринадцатикратно из-за высокой температуры. И в этом заключается проблема: учёные подсчитали, что при столь высоком уровне ионизации температура короны должна быть около 1 миллиона градусов Цельсия — почти в 200 раз жарче, чем на поверхности.
Несмотря на то, что мы находимся внутри расширенной атмосферы Солнца, солнечная корона и плазма в околоземном пространстве резко отличаются. Солнечному ветру необходимо около четырёх дней, чтобы преодолеть 150 млн км и достигнуть Земли или космического аппарата, который будет его изучать — этого времени достаточно для того, чтобы солнечный ветер смешался с другими частицами в межпланетной среде и лишился своих отличительных черт. Parker Solar Probe будет изучать частицы солнечной короны вблизи звезды, что увеличит достоверность получаемых данных.
Идея путешествия к Солнцу старше, чем NASA, но, чтобы оно стало возможным, потребовались десятилетия развития инженерных технологий. За это время учёные определили, какие именно данные — и соответствующие документы — им нужны для того, чтобы завершить картину солнечной короны.
Объяснение секретов короны
Parker Solar Probe проверит две главные теории, объясняющие нагрев солнечной короны. Внешние слои Солнца постоянно “кипят” и приходят в движение под действием механической энергии. Когда конвективные ячейки плазмы перемещаются в глубине Солнца — подобно отдельным пузырькам, сталкивающимся в кастрюле с кипящей водой — их движение создаёт магнитные поля, которые поднимаются в корону. Здесь они каким-то образом превращают энергию в тепло — как это происходит, пытается объяснить каждая из теорий.
Первая предполагает, что причиной сильного нагрева солнечной короны являются электромагнитные волны. Возможно, что при кипении генерируются магнитогидродинамические волны определённой частоты, их называют альвеновскими волнами. Они направляются из глубины Солнца в корону, и заставляют заряженные частицы двигаться.
Согласно второй теории, нановспышки, напоминающие взрывы бомб, выбрасывают тепло с поверхности Солнца в солнечную атмосферу. Считается, что, подобно более крупным солнечным вспышкам, нановспышки возникают в результате взрывных процессов, называемых магнитным пересоединением. Оно происходит в результате перестройки и искривления силовых линий магнитного поля, которые могут кончится “взрывным” разрывом линий с высвобождением большого количества энергии.
Теории не обязательно должны исключать друг друга. На самом деле многие учёные думают, что обе они могут быть вовлечены в процесс нагревания солнечной короны. Иногда, например, магнитное пересоединение, которое ответственно за нановспышки, может породить альвеновские волны, которые нагревают окружающую плазму.
Другой большой вопрос заключается в том, как часто происходят эти процессы — постоянно или при отдельных вспышках? Ответ требует уровня детализации, которого мы не получим с расстояния 150 млн км.
Сбор доказательств
Аппарат несёт четыре набора инструментов для различных типов исследований, два из которых будут получать данные, необходимые для решения проблемы нагрева солнечной короны: эксперимент FIELDS и SWEAP.
FIELDS будет производить измерения электрического и магнитного полей, чтобы понять физику ударных и магнитогидродинамических волн и магнитного пересоединения, которые нагревают солнечный ветер.
SWEAP — займётся сбором данных о горячей плазме. Он будет определять наиболее распространённые частицы солнечного ветра — электроны, протоны и ионы гелия — и измерять их температуру, скорость и направление их движения.
Каждый предлагаемый механизм нагревания имеет свои отличительные особенности. Если источником сильного нагрева короны являются альвеновские волны, их активность обнаружит FIELDS. Поскольку более тяжёлые ионы нагреваются с разной скоростью, различные классы частиц взаимодействуют с этими волнами по-разному; SWEAP будет характеризовать такие уникальные взаимодействия.
Если за нагревание ответственны нановспышки, учёные ожидают увидеть потоки ускоренных частиц, выбрасываемых в противоположных направлениях — верный признак магнитного пересоединения. Там, где оно происходит, также должны быть обнаружены горячие точки, в которых магнитные поля быстро меняются и нагревают окружающую плазму.
Открытия впереди
Объединив данные об устройстве солнечной короны, учёные достигнут более глубокого понимания процессов, вызываемых космическими погодными явлениями, которые формируют условия околоземного пространства. Результаты этих научных исследований позволят выйти за пределы Солнечной системы. Солнце открывает окно в понимание устройства других звёзд, особенно тех, нагревание которых подобно солнечному. Такие звёзды обладают благоприятной для жизни средой, но пока что слишком далеки для изучения. Прояснение фундаментальной физики плазмы, возможно, поведает учёным многое о поведении плазмы в других местах Вселенной, например, в кластерах галактик или вокруг черных дыр.
Источник: nasa.gov
Перевод: Ольга Шатерникова
