В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review X, исследователи представили убедительные доказательства существования «барьера спиральности» — ранее гипотетической, но не подтверждённой структуры, которая может объяснить одну из самых загадочных загадок в физике Солнца: почему внешняя атмосфера Солнца горячее его видимой поверхности.
Открытие основано на данных высокого разрешения с зонда Parker Solar Probe
Открытие сделано на основе данных высокого разрешения с зонда Parker Solar Probe, который приближается к Солнцу ближе, чем любой другой созданный человеком объект в истории. Недавние находки зонда могут дать ответы на вопросы, поставленные ещё в 1939 году, о загадочной проблеме нагрева короны — фундаментальной загадке астрофизики.
Парадокс нагрева короны: загадка с температурой в 2 миллиона градусов
В центре Солнца температура достигает невероятных 27 миллионов °F (15 миллионов °C), где происходит ядерный синтез. «Самая горячая часть Солнца — это его ядро, где температура превышает 27 миллионов °F (15 миллионов °C). Часть Солнца, которую мы называем его поверхностью — фотосферой, — относительно прохладна и составляет 10 000 °F (5500 °C)», — объясняет NASA.
Однако парадоксально, что при движении от поверхности к солнечной короне температура снова возрастает, достигая 3,5 миллиона °F (2 миллиона °C). Это противоречивое явление известно как проблема нагрева короны, и оно озадачивало учёных более 80 лет.
Тайна заключается в понимании того, как энергия передаётся из недр Солнца, где она генерируется, во внешнюю атмосферу, где температура необъяснимо выше. Были выдвинуты несколько теорий, включая магнитную турбулентность и нагрев с помощью ионно-циклотронных волн, но до сих пор ни одна из них не давала полного объяснения.
Что такое барьер спиральности и как он работает?
Барьер спиральности — это концептуальный «фильтр» в динамике плазмы атмосферы Солнца. Он воздействует на флуктуации магнитной и тепловой энергии таким образом, что перенаправляет пути диссипации энергии.
Доктор Роман Мейранд, один из ведущих авторов, приводит уместную аналогию: «Если представить, что нагрев плазмы происходит подобно тому, как вода течёт вниз по холму, а электроны нагреваются прямо у подножия, то барьер спиральности действует как плотина, останавливая поток и перенаправляя его энергию в ионно-циклотронные волны».
Иными словами, этот барьер избирательно направляет энергию таким образом, что значительно нагревает более тяжёлые частицы, такие как протоны и ионы, оставляя электроны относительно более холодными.
«Однако у обеих теорий есть проблемы: турбулентность не может объяснить, почему водород, гелий и кислород в газе нагреваются так сильно, а электроны остаются удивительно холодными; в то время как теория магнитных волн могла бы объяснить эту особенность, но, похоже, с поверхности Солнца исходит недостаточно волн для нагрева газа», — отмечает Мейранд.
Барьер спиральности элегантно объединяет обе модели, предлагая, что ограничения магнитной геометрии усиливают взаимодействие волн и частиц только при определённых условиях, которые теперь можно наблюдать благодаря точным приборам Parker.
Измеримые эффекты в данных о солнечном ветре и магнитном поле
Для того чтобы теория получила признание в астрофизике, она должна давать проверяемые предсказания. Барьер спиральности удовлетворяет этому требованию, прогнозируя уникальную модель флуктуаций магнитного поля, которые изменяются в зависимости от отношения тепловой и магнитной энергии.
«Барьер может формироваться только при определённых условиях, например, когда тепловая энергия относительно низка по сравнению с магнитной энергией. Поскольку ожидается, что флуктуации магнитного поля будут вести себя по-разному, когда барьер активен и когда он неактивен, измерение того, как эти флуктуации изменяются в зависимости от условий солнечного ветра, соответствующих формированию барьера, включая отношение тепловой и магнитной энергии, позволяет проверить наличие барьера», — пишет команда.
Благодаря детальному анализу данных о магнитном поле, собранных во время сближения зонда Parker Solar Probe, исследовательская группа обнаружила, что флуктуации в солнечном ветре точно соответствуют теоретическим ожиданиям.
«Анализируя измерения магнитного поля солнечного ветра, мы обнаруживаем, что флуктуации ведут себя именно так, как предсказано, с изменениями параметров солнечного ветра, которые характеризуют эти условия. Этот анализ также позволяет нам определить конкретные значения этих параметров, необходимые для формирования барьера, и мы обнаруживаем, что эти значения часто встречаются вблизи Солнца».
Это точное соответствие между моделью и наблюдениями не только подтверждает существование барьера, но и подтверждает, что условия для его формирования регулярно встречаются в околосолнечной среде. Это делает его жизнеспособным механизмом для объяснения локализованного нагрева ионов солнечного ветра, а также для понимания изменчивости различных типов потоков солнечного ветра.