Новые исследования, использующие данные зонда Parker Solar Probe NASA, предоставили первые прямые доказательства явления, известного как «геликоидальный барьер» в солнечном ветре. Это открытие, [опубликованное](https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.15.031008) в журнале Physical Review X исследователями из Университета королевы Марии в Лондоне, стало значительным шагом к пониманию двух давних загадок: как солнечная атмосфера нагревается до миллионов градусов и как генерируется сверхзвуковой солнечный ветер.
Солнечная атмосфера и солнечный ветер
Солнечная атмосфера, или корона, намного горячее поверхности Солнца — парадокс, который озадачивал учёных на протяжении десятилетий. Кроме того, постоянный поток плазмы и магнитных полей от Солнца, известный как солнечный ветер, разгоняется до невероятных скоростей.
Считается, что турбулентная [диссипация](https://phys.org/tags/dissipation/) — процесс, при котором [механическая энергия](https://phys.org/tags/mechanical+energy/) преобразуется в тепло, — играет решающую роль в обоих этих явлениях. Однако в среде вблизи Солнца, где плазма в основном бесстолкновительная, точные механизмы этой диссипации оставались неясными.
Данные зонда Parker Solar Probe
Это новое исследование использует данные зонда Parker Solar Probe NASA, который стал самым близким к Солнцу космическим аппаратом, пролетая непосредственно через солнечную атмосферу. Такая беспрецедентная близость позволила исследователям впервые напрямую изучить эту экстремальную среду, предоставив критически важные данные для разгадки этих загадок.
В статье представлены убедительные доказательства того, что «геликоидальный барьер» активен и глубоко изменяет природу турбулентной диссипации. Этот эффект, ранее предполагавшийся теоретически, создаёт барьер для турбулентного каскада энергии на малых масштабах, фундаментально изменяя то, как флуктуации диссипируют и, следовательно, как нагревается плазма.
Комментарии исследователей
Джек МакИнтайр, доктор философии и ведущий автор исследования из Университета королевы Марии в Лондоне, прокомментировал: «Этот результат вызывает восторг, поскольку, подтверждая наличие «геликоидального барьера», мы можем объяснить свойства солнечного ветра, которые ранее были необъяснимы, в том числе то, что его протоны обычно горячее электронов. Улучшение нашего понимания турбулентной диссипации может также иметь важные последствия для других систем в астрофизике».
Исследовательская группа также определила конкретные условия, при которых возникает этот барьер. Они обнаружили, что «геликоидальный барьер» полностью развивается, когда напряжённость [магнитного поля](https://phys.org/tags/magnetic+field/) становится значительной по сравнению с давлением в плазме, и становится всё более заметным, когда дисбаланс между противоположно распространяющимися плазменными волнами, составляющими турбулентность, больше. Критически важно, что эти условия часто встречаются в солнечном ветре вблизи Солнца, где сейчас работает зонд Parker Solar Probe, а это значит, что этот эффект должен быть широко распространён.
Доктор Кристофер Чен, преподаватель физики космической плазмы в Университете королевы Марии в Лондоне и руководитель МакИнтайра, добавил: «Эта статья важна, поскольку она предоставляет чёткие доказательства наличия «геликоидального барьера», который отвечает на некоторые давние вопросы о нагреве короны и ускорении солнечного ветра, такие как температурные сигнатуры, наблюдаемые в [солнечной атмосфере](https://phys.org/tags/solar+atmosphere/), и изменчивость различных потоков солнечного ветра».
Выводы
Значение этого открытия выходит за рамки нашего Солнца, поскольку многие горячие, диффузные астрофизические плазмы во Вселенной также являются бесстолкновительными. Понимание того, как энергия рассеивается в тепло в этих средах, имеет широкие последствия для астрофизики. Прямое наблюдение «геликоидального барьера» в солнечном ветре предоставляет уникальную естественную лабораторию для изучения этих сложных процессов.
Предоставлено [Queen Mary, University of London](https://phys.org/partners/queen-mary–university-of-london/)
published in Physical Review X by Queen Mary University of London researchers, offers a significant step toward understanding two long-standing mysteries: how the sun’s atmosphere is heated to millions of degrees and how the supersonic solar wind is generated.”,”The solar atmosphere, or corona, is far hotter than the sun’s surface, a paradox that has puzzled scientists for decades. Furthermore, the constant outflow of plasma and magnetic fields from the sun, known as the solar wind, is accelerated to incredible speeds.”,”Turbulent dissipation—the process by which mechanical energy is converted into heat—is believed to play a crucial role in both these phenomena. However, in the near-sun environment, where plasma is largely collisionless, the exact mechanisms of this dissipation have remained elusive.”,”This new study leverages data from NASA’s Parker Solar Probe, which has become the closest spacecraft to the sun, flying directly through the solar atmosphere. This unprecedented proximity allowed researchers to directly explore this extreme environment for the first time, providing critical data to unravel these mysteries.”,”The paper presents compelling evidence that the \”helicity barrier\” is active and profoundly alters the nature of turbulent dissipation. This effect, previously theorized, creates a barrier to the turbulent cascade of energy at small scales, fundamentally changing how fluctuations dissipate and thus how the plasma is heated.”,”Jack McIntyre, Ph.D. student and the lead author of the study from Queen Mary University of London, commented, \”This result is exciting because, by confirming the presence of the ‘helicity barrier,’ we can account for properties of the solar wind that were previously unexplained, including that its protons are typically hotter than its electrons. By improving our understanding of turbulent dissipation, it could also have important implications for other systems in astrophysics.\””,”The research team also identified the specific conditions under which this barrier occurs. They found that the helicity barrier becomes fully developed when the magnetic field strength becomes large compared to the pressure in the plasma and becomes increasingly prominent when the imbalance between the oppositely propagating plasma waves that make up the turbulence is greater. Critically, these conditions are frequently met in the solar wind close to the sun, where Parker Solar Probe is now exploring, meaning that this effect should be widespread.”,”Dr. Christopher Chen, Reader in Space Plasma Physics at Queen Mary University of London and McIntyre’s supervisor, added, \”This paper is important as it provides clear evidence for the presence of the helicity barrier, which answers some long-standing questions about coronal heating and solar wind acceleration, such as the temperature signatures seen in the solar atmosphere, and the variability of different solar wind streams.”,”\”This allows us to better understand the fundamental physics of turbulent dissipation, the connection between small-scale physics and the global properties of the heliosphere, and make better predictions for space weather.\””,”The implications of this discovery extend beyond our own star, as many hot, diffuse astrophysical plasmas in the universe are also collisionless. Understanding how energy dissipates into heat in these environments has broad consequences for astrophysics. The direct observation of the helicity barrier in the solar wind provides a unique natural laboratory to study these complex processes.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tQueen Mary, University of London\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from High Energy, Nuclear, Particle Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник