На этой иллюстрации показано магнитное поле Солнца поверх изображения, полученного Обсерваторией солнечной динамики НАСА. Сложное наложение линий может рассказать ученым о том, как меняется солнечный магнетизм в ответ на постоянное движение внутри Солнца и внутри него. Авторы и права: НАСА/SDO/AIA/LMSAL.
Поверхность Солнца представляет собой яркое зрелище солнечных пятен и вспышек, вызванных солнечным магнитным полем, которое генерируется изнутри посредством процесса, называемого действием динамо. Астрофизики предположили, что солнечное поле генерируется глубоко внутри звезды. Но исследование Массачусетского технологического института показывает, что солнечная активность может формироваться в результате гораздо более мелкого процесса.
В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи из Массачусетского технологического института, Эдинбургского университета и других стран обнаружили, что магнитное поле Солнца может возникнуть из-за нестабильности в самых внешних слоях Солнца.
Команда создала точную модель поверхности Солнца и обнаружила, что, когда они моделировали определенные возмущения или изменения в потоке плазмы (ионизированного газа) в верхних 5–10% поверхности Солнца, этих изменений поверхности было достаточно для создания реалистичных магнитных полей. картины поля, имеющие характеристики, аналогичные тем, которые астрономы наблюдали на Солнце. Напротив, их моделирование в более глубоких слоях дало менее реалистичную солнечную активность.
Результаты показывают, что солнечные пятна и вспышки могут быть продуктом мелкого магнитного поля, а не поля, которое возникает глубже на Солнце, как предполагали ученые.
«Особенности, которые мы видим, глядя на Солнце, такие как корона, которую многие люди видели во время недавнего солнечного затмения, солнечные пятна и солнечные вспышки, связаны с магнитным полем Солнца», — говорит автор исследования Китон Бернс, ученый из Математический факультет Массачусетского технологического института.
«Мы показываем, что изолированные возмущения вблизи поверхности Солнца, вдали от более глубоких слоев, могут со временем расти, потенциально создавая магнитные структуры, которые мы видим».
Если магнитное поле Солнца действительно возникает из его самых внешних слоев, это может дать ученым больше шансов прогнозировать вспышки и геомагнитные бури, которые могут нанести ущерб спутникам и телекоммуникационным системам.
«Мы знаем, что динамо-машина действует как гигантские часы со множеством сложных взаимодействующих частей», — говорит соавтор Джеффри Васил, исследователь из Эдинбургского университета. «Но мы не знаем многих частей и того, как они сочетаются друг с другом. Эта новая идея о том, как запускается солнечное динамо, важна для понимания и прогнозирования его».
В число соавторов исследования также входят Дэниел Лекоане и Кайл Огюстсон из Северо-Западного университета, Джеффри Оиши из Бейтс-колледжа, Бенджамин Браун и Кит Жюльен из Университета Колорадо в Боулдере и Николас Браммелл из Калифорнийского университета в Санта-Крус.
Зона потока
Солнце — это раскаленный добела шар плазмы, кипящий на его поверхности. Эта область кипения называется «зоной конвекции», где колеблются и текут слои и шлейфы плазмы. Зона конвекции занимает верхнюю треть радиуса Солнца и простирается примерно на 200 000 километров под поверхностью.
«Одна из основных идей о том, как запустить динамо-машину, заключается в том, что вам нужна область, где много плазмы движется мимо другой плазмы, и это сдвиговое движение преобразует кинетическую энергию в магнитную энергию», — объясняет Бернс. «Люди думали, что магнитное поле Солнца создается движениями в самом низу конвекционной зоны».
Чтобы точно определить, где возникает магнитное поле Солнца, другие ученые использовали большое трехмерное моделирование, чтобы попытаться определить поток плазмы во многих слоях недр Солнца. «Эти симуляции требуют миллионов часов работы на национальных суперкомпьютерах, но то, что они производят, по-прежнему далеко не так турбулентно, как реальное Солнце», — говорит Бернс.
Вместо того чтобы моделировать сложный поток плазмы по всему телу Солнца, Бернс и его коллеги задавались вопросом, может ли изучение стабильности потока плазмы у поверхности быть достаточным для объяснения происхождения динамо-процесса.
Чтобы изучить эту идею, команда сначала использовала данные из области «гелиосейсмологии», где ученые используют наблюдаемые вибрации на поверхности Солнца, чтобы определить среднюю структуру и поток плазмы под поверхностью.
«Если вы снимите на видео барабан и посмотрите, как он вибрирует в замедленной съемке, вы сможете определить форму и жесткость пластика по режимам вибрации», — говорит Бернс. «Аналогичным образом мы можем использовать вибрации, которые мы видим на поверхности Солнца, чтобы сделать вывод о средней структуре внутри».
Солнечный лук
Для своего нового исследования ученые собрали модели структуры Солнца на основе гелиосейсмических наблюдений. «Эти средние потоки выглядят как луковица с различными слоями плазмы, вращающимися друг вокруг друга», — объясняет Бернс. «Тогда мы спрашиваем: есть ли возмущения или крошечные изменения в потоке плазмы, которые мы могли бы наложить поверх этой средней структуры, которая могла бы вырасти и вызвать магнитное поле Солнца?»
Чтобы найти такие закономерности, команда использовала проект «Дедал» — численную структуру, разработанную Бернсом, которая может моделировать многие типы потоков жидкости с высокой точностью. Код применялся для решения широкого круга задач: от моделирования динамики внутри отдельных ячеек до циркуляции океана и атмосферы.
«Мои коллеги уже много лет размышляют о проблеме солнечного магнетизма, и возможности Дедала сейчас достигли той точки, когда мы можем ее решить», — говорит Бернс.
Команда разработала алгоритмы, которые они включили в Dedalus, чтобы найти самоусиливающиеся изменения в средних поверхностных потоках Солнца. Алгоритм обнаружил новые закономерности, которые могут расти и приводить к реалистичной солнечной активности. В частности, команда обнаружила закономерности, соответствующие местоположениям и временным масштабам солнечных пятен, которые наблюдались астрономами со времен Галилея в 1612 году.
Солнечные пятна — это переходные образования на поверхности Солнца, которые, как полагают, сформированы магнитным полем Солнца. Эти относительно более прохладные регионы выглядят как темные пятна по отношению к остальной части раскаленной добела поверхности Солнца. Астрономы уже давно заметили, что солнечные пятна возникают циклично, растут и исчезают каждые 11 лет и обычно движутся вокруг экватора, а не вблизи полюсов.
В ходе моделирования команда обнаружила, что определенных изменений в потоке плазмы только в пределах верхних 5–10% поверхностных слоев Солнца достаточно, чтобы генерировать магнитные структуры в тех же регионах. Напротив, изменения в более глубоких слоях создают менее реалистичные солнечные поля, которые концентрируются возле полюсов, а не возле экватора.
Команда была заинтересована более внимательно изучить структуру потоков вблизи поверхности, поскольку условия там напоминали нестабильные потоки плазмы в совершенно других системах: аккреционных дисках вокруг черных дыр. Аккреционные диски — это массивные диски газа и звездной пыли, которые вращаются в направлении черной дыры под действием «магнитовращательной неустойчивости», которая создает турбулентность в потоке и заставляет его падать внутрь.
Бернс и его коллеги подозревали, что подобное явление наблюдается и на Солнце, и что магниторотационная нестабильность во внешних слоях Солнца может быть первым шагом в создании магнитного поля Солнца.
«Я думаю, что этот результат может быть спорным», — говорит он. «Большая часть сообщества была сосредоточена на поиске действия динамо глубоко под солнцем. Теперь мы показываем, что существует другой механизм, который, кажется, лучше соответствует наблюдениям».
Бернс говорит, что команда продолжает изучать, могут ли новые структуры поля на поверхности генерировать отдельные солнечные пятна и полный 11-летний солнечный цикл.
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
Эта история переиздана благодаря MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярному сайту, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.
