Исследователи совершили прорыв в солнечной физике, впервые представив прямые доказательства существования мелкомасштабных торсионных альфвеновских волн в солнечной короне — неуловимых магнитных волн, которые учёные искали с 1940-х годов.
Открытие, опубликованное в журнале Nature Astronomy, было сделано с помощью беспрецедентных наблюдений с помощью самого мощного в мире солнечного телескопа — телескопа Daniel K. Inouye Solar Telescope, принадлежащего Национальному научному фонду США (NSF) и расположенного на Гавайях.
Результаты могут наконец объяснить одну из величайших загадок Солнца — как его внешняя атмосфера, корона, достигает температуры в миллионы градусов, в то время как температура его поверхности составляет всего около 5 500 °C.
Альфвеновские волны, названные в честь лауреата Нобелевской премии Ханнеса Альфвена, предсказавшего их существование в 1942 году, представляют собой магнитные возмущения, которые могут переносить энергию через плазму.
Ранее учёные уже наблюдали более крупные изолированные версии этих волн, обычно связанные с солнечными вспышками. Однако впервые был непосредственно зарегистрирован их мелкомасштабный тип, который присутствует постоянно и может питать Солнце.
Профессор Ричард Мортон, сотрудник Школы инженерии, физики и математики Университета Нортумбрии, возглавлял исследование. Он сказал: «Это открытие положило конец длительным поискам этих волн, берущих начало в 1940-х годах. Нам наконец-то удалось непосредственно наблюдать эти торсионные движения, скручивающие линии магнитного поля в короне».
Прорыв стал возможен благодаря уникальным возможностям криогенного ближнего инфракрасного спектрополяриметра (Cryo-NIRSP) телескопа Daniel K. Inouye Solar Telescope — самого совершенного инструмента для наблюдения за короной в своём роде. Этот передовой спектрометр способен видеть невероятно мелкие детали в короне и очень чувствителен к изменениям в движении плазмы.
С помощью четырёхметрового зеркала — в четыре раза большего, чем у предыдущих солнечных телескопов — телескоп Daniel K. Inouye Solar Telescope, построенный и управляемый Национальным солнечным observatory NSF, стал результатом двух десятилетий международного планирования и разработок.
Университет Нортумбрии сыграл решающую роль в его разработке в рамках британского консорциума, который проектировал камеры для визуализатора в видимом диапазоне (Visible Broadband Imager) телескопа, опираясь на устоявшуюся репутацию Университета в области наблюдений за солнечной атмосферой.
Профессор Мортон выиграл время для использования телескопа, пока он проходил испытания, и использовал прибор для отслеживания движения железа, нагретого до 1,6 миллиона градусов Цельсия, в короне.
Ключевой прорыв произошёл благодаря разработке профессором Мортоном совершенно новых аналитических методов для разделения различных типов волновых движений в данных. Как он объясняет: «Движение плазмы в солнечной короне определяется покачивающимися движениями. Они маскируют торсионные движения, поэтому мне пришлось разработать способ удаления покачивания, чтобы найти скручивание».
В то время как более привычные волны-«изгибы» заставляют целые магнитные структуры раскачиваться взад и вперёд и видны на плёнке, запечатлевшей Солнце, недавно обнаруженные торсионные альфвеновские волны вызывают скручивающее движение, которое можно обнаружить только с помощью спектроскопического анализа — измерения того, как плазма движется по направлению к Земле и от неё, создавая характерные красные и синие сдвиги на противоположных сторонах магнитных структур.
Открытие имеет глубокие последствия для понимания того, как работает Солнце. Корона, внешняя атмосфера Солнца, видимая во время солнечных затмений, нагревается до температур, превышающих один миллион градусов Цельсия — достаточно высоких, чтобы ускорять плазму от Солнца в виде солнечного ветра, который заполняет всю нашу Солнечную систему.
Исследование представляет собой крупное международное сотрудничество с соавторами из Пекинского университета в Китае, Лёвенского католического университета в Бельгии, Лондонского университета королевы Марии, Китайской академии наук и Национального солнечного телескопа NSF на Гавайях и в Колорадо.
Понимание этих фундаментальных процессов имеет практическое значение для прогнозирования космической погоды. Солнечный ветер несёт магнитные возмущения, которые могут нарушить спутниковую связь, системы GPS и электросети на Земле. Альфвеновские волны могут быть источником «магнитных возвратов» — значительных переносчиков энергии в солнечном ветре, которые были зафиксированы космическим аппаратом NASA Parker Solar Probe.
«Это исследование обеспечивает существенную проверку ряда теоретических моделей, описывающих, как турбулентность альфвеновских волн питает солнечную атмосферу», — добавил профессор Мортон. «Прямые наблюдения наконец-то позволяют нам проверить эти модели на соответствие действительности».
Команда ожидает, что это открытие станет стимулом для дальнейших исследований того, как эти волны распространяют и рассеивают энергию в короне. Способность инструмента Cryo-NIRSP телескопа Daniel K. Inouye Solar Telescope предоставлять высококачественные спектры открывает новые возможности для изучения физики волн в солнечной атмосфере.