На изображении художника изображен солнечный зонд НАСА «Паркер», приближающийся к Солнцу. Фото предоставлено: Стив Гриббен/АПЛ Джонса Хопкинса/НАСА.
Наше Солнце создает постоянный поток плазмы или ионизированного газа, называемый солнечным ветром, который окутывает нашу Солнечную систему. За пределами защитной магнитосферы Земли самый быстрый солнечный ветер проносится со скоростью более 500 километров в секунду. Однако до сих пор исследователям не удалось выяснить, как ветер получает достаточно энергии, чтобы достичь такой скорости.
Наша команда гелиофизиков опубликовала в августе 2024 года статью, в которой указывается на новый источник энергии солнечного ветра.
Открытие солнечного ветра
Физик Юджин Паркер предсказал существование солнечного ветра в 1958 году. Космический корабль «Маринер», направлявшийся к Венере, подтвердил свое существование в 1962 году.
Исследования, проведенные с 1940-х годов, показали, что солнечная корона или солнечная атмосфера могут нагреваться до очень высоких температур — более 2 миллионов градусов по Фаренгейту (или более 1 миллиона градусов по Цельсию).
Работа Паркера предположила, что эта экстремальная температура может создать внешнее тепловое давление, достаточно сильное, чтобы преодолеть гравитацию и позволить внешнему слою атмосферы Солнца уйти.
Однако пробелы в исследованиях солнечного ветра быстро выявились по мере того, как исследователи проводили все более детальные измерения солнечного ветра вблизи Земли. В частности, они обнаружили две проблемы с самой быстрой частью солнечного ветра.
Во-первых, солнечный ветер продолжал нагреваться после того, как покинул горячую корону без объяснения причин. И даже несмотря на это дополнительное тепло, самому быстрому ветру по-прежнему не хватало энергии, чтобы ученые могли объяснить, как он мог разгоняться до таких высоких скоростей.
Оба наблюдения означали, что должен быть другой источник энергии, помимо моделей Паркера.
Альфвеновские волны
Солнце и его солнечный ветер — это плазма. Плазма подобна газам, но все частицы в плазме заряжены и реагируют на магнитные поля.
Подобно тому, как звуковые волны движутся по воздуху на Земле и переносят энергию, плазму пересекают так называемые альфвеновские волны. На протяжении десятилетий предсказывалось, что альфвеновские волны будут влиять на динамику солнечного ветра и играть важную роль в переносе энергии в солнечном ветре.
Однако ученые не могли сказать, действительно ли эти волны напрямую взаимодействовали с солнечным ветром или генерировали достаточно энергии для его питания. Чтобы ответить на эти вопросы, им пришлось бы измерить солнечный ветер в непосредственной близости от Солнца.
В 2018 и 2020 годах НАСА и Европейское космическое агентство запустили свои флагманские миссии: солнечный зонд Паркер и солнечный орбитальный аппарат. Обе миссии имели необходимые инструменты для измерения альфвенских волн вблизи Солнца.
Solar Orbiter проходит между одной астрономической единицей (положение Земли) и 0,3 астрономическими единицами (немного ближе к Солнцу, чем Меркурий). Солнечный зонд «Паркер» погружается гораздо глубже. Он находится в пределах пяти солнечных диаметров Солнца, в пределах внешних краев короны. Диаметр каждого Солнца составляет примерно 1 400 000 километров.
Миссии «Солнечный зонд НАСА Паркер» и «Солнечный орбитальный аппарат» ЕКА измерили один и тот же поток плазмы, исходящий от Солнца на разных расстояниях. Паркер измерил множество магнитных волн на краю короны — так называемой альфвеновской поверхности — в то время как Solar Orbiter, расположенный за орбитой Венеры, заметил, что волны исчезли и что их энергия использовалась для нагрева и ускорения плазмы. Фото предоставлено: Арья Де Франческо
Сотрудничая в этих двух миссиях, такие исследователи, как мы, могут не только изучать солнечный ветер возле Солнца, но и изучать его изменения между точкой, где его видит Паркер, и точкой, где его видит Solar Orbiter.
Магнитные серпантины
Во время первого подхода Паркера к Солнцу он обнаружил, что солнечный ветер вблизи Солнца на самом деле богат альфвеновскими волнами.
С помощью Паркера ученые измерили магнитное поле солнечного ветра. В некоторых местах они заметили, что силовые линии – или магнитные силовые линии – раскачивались с такой большой амплитудой, что ненадолго меняли направление. Ученые назвали это явление магнитным переключением. Вместе с Паркером они наблюдали эти энергичные колебания плазмы повсюду в солнечном ветре вблизи Солнца.
Наша исследовательская группа хотела выяснить, содержат ли эти змеевики достаточно энергии, чтобы ускорить и нагреть солнечный ветер, когда он удаляется от Солнца. Мы также хотели изучить, как менялся солнечный ветер, когда эти змеи высвобождали свою энергию. Это помогло бы нам определить, использовалась ли энергия змеевиков для нагрева ветра, его ускорения или для того и другого.
Чтобы ответить на эти вопросы, мы определили уникальную конфигурацию космического корабля, в которой оба корабля пересекали одну и ту же часть солнечного ветра, но на разных расстояниях от Солнца.
Тайна серпантинов
Паркер, находившийся близко к Солнцу, обнаружил, что около 10% энергии солнечного ветра приходится на магнитные порывы, тогда как Solar Orbiter измерял менее 1%. Эта разница означает, что эта волновая энергия была преобразована в другие формы энергии между Паркером и Солнечным Орбитальным аппаратом.
Мы провели моделирование, подобное тому, что сделал Юджин Паркер. Мы опирались на современные реализации оригинальных моделей Паркера и включили в эти оригинальные уравнения влияние наблюдаемой волновой энергии.
В частности, сравнив наборы данных и модели, мы смогли увидеть, что эта энергия способствовала как ускорению, так и потеплению. Мы знали, что это способствовало ускорению, потому что на Solar Orbiter ветер был сильнее, чем на Parker. И мы знали, что это способствует потеплению, потому что ветер на Solar Orbiter был более жарким, чем был бы без волн.
Эти измерения показали, что энергия змеевиков была необходима и достаточна для объяснения эволюции солнечного ветра по мере его движения от Солнца.
Наши измерения не только дают ученым представление о физике солнечного ветра и о том, как Солнце может влиять на Землю, но также могут иметь последствия для всей Вселенной.
У многих других звезд есть звездные ветры, которые несут их вещество в космос. Если мы поймем физику солнечного ветра нашей родной звезды, мы сможем лучше понять звездный ветер в других системах. Зная о звездных ветрах, исследователи смогут больше узнать об обитаемости экзопланет.
Информация от: Разговором
