Численное моделирование процесса МГД-линзирования при t/t0 = 0,185 на основе наблюдаемой геометрической формы КД. Фото: Nature Communications (2024 г.). DOI: 10.1038/s41467-024-46846-z
Впервые ученые наблюдали плазменные волны солнечной вспышки, сфокусированные корональной дырой, что сродни фокусировке звуковых волн, ответственных за эффект Ротонды в архитектуре, или фокусировке света телескопом или микроскопом.
Открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, может быть использовано для диагностики свойств плазмы, в том числе «солнечных цунами», порождаемых солнечными вспышками, а также для исследования фокусировки плазменных волн от других астрономических систем.
Солнечная корона — это самая удаленная часть солнечной атмосферы, область, состоящая из магнитных плазменных петель и солнечных вспышек. Состоящее в основном из заряженных ионов и электронов, оно простирается на миллионы километров в космос и имеет температуру более миллиона Кельвинов. Оно особенно заметно во время полного солнечного затмения, когда его называют «огненным кольцом».
Магнитогидродинамические волны в короне — это колебания электрически заряженных жидкостей под воздействием магнитных полей Солнца. Они играют фундаментальную роль в короне, нагревая корональную плазму, ускоряя солнечный ветер и генерируя мощные солнечные вспышки, которые покидают корону и отправляются в космос.
Ранее наблюдалось, что они подвергаются типичным волновым явлениям, таким как преломление, пропускание и отражение в короне, но до сих пор не наблюдалось их фокусировки.
Используя наблюдения с высоким разрешением из Обсерватории солнечной динамики, спутника НАСА, который наблюдает за Солнцем с 2010 года, исследовательская группа, состоящая из ученых из нескольких китайских учреждений и одного из Бельгии, проанализировала данные солнечной вспышки 2011 года.
Вспышка вызвала мощные, почти периодические возмущения, которые перемещались вдоль поверхности Солнца. Данные представляют собой форму магнитогидродинамических волн. Данные выявили серию волновых фронтов дугообразной формы с центром вспышки в их центре.
Этот цуг волн распространился к центру солнечного диска и прошел через корональную дыру — область относительно холодной плазмы — на низкой широте относительно солнечного экватора со скоростью около 350 километров в секунду.
Корональная дыра — это временная область холодной, менее плотной плазмы в солнечной короне; здесь магнитное поле Солнца простирается в космос за пределы короны. Часто расширенное магнитное поле возвращается к короне в область противоположной магнитной полярности, но иногда магнитное поле позволяет солнечному ветру уйти в космос гораздо быстрее, чем поверхностная скорость волны.
В этом наблюдении, когда волновые фронты проходили через дальний край корональной дыры, первоначальные дугообразные волновые фронты изменились на антидуговую форму, с кривизной, перевернутой на 180 градусов, с изогнутой наружу на седловидную наружу. Затем они сошлись в точке, сфокусированной на дальней стороне корональной дыры, напоминая световую волну, проходящую через собирающую линзу, при этом форма корональной дыры действовала как магнитогидродинамическая линза.
Численное моделирование с использованием свойств волн, короны и корональной дыры подтвердило, что конвергенция была ожидаемым результатом.
Группа смогла определить изменение амплитуды интенсивности волн только после того, как цуг волн — серия движущихся волновых фронтов — прошел через корональную дыру.
Как и ожидалось, интенсивность (амплитуда) магнитогидродинамических волн увеличилась от отверстия к фокальной точке от двух до шести раз, а плотность потока энергии увеличилась почти в семь раз от области предфокусировки к области вблизи фокальной точки. точка, показывающая, что корональная дыра также фокусирует энергию, как выпуклая телескопическая линза.
Фокус находился примерно в 300 000 км от края корональной дыры, но фокусировка не идеальна, поскольку форма корональной дыры не точна. Таким образом, можно ожидать, что этот вид магнитогидродинамического линзирования будет происходить с планетарными, звездными и галактическими образованиями, подобно гравитационному линзированию света (многих длин волн), которое наблюдалось вокруг некоторых звезд.
Хотя явления солнечной магнитогидродинамической волны, такие как преломление, пропускание и отражение в короне, наблюдались и ранее, это первый эффект линзирования таких волн, который наблюдался непосредственно. Считается, что эффект линзирования обусловлен резкими изменениями (градиентами) температуры короны, плотности плазмы и напряженности солнечного магнитного поля на границе корональной дыры, а также особой формой дыры.
Учитывая это, численное моделирование объяснило эффект линзирования с помощью методов классической геометрической акустики, используемых для объяснения поведения звуковых волн, подобных геометрической оптике световых волн.
«Корональная дыра действует как естественная структура для фокусировки энергии магнитогидродинамической волны, подобно книге о научном трении. [and movie] «Задача трех тел», в которой Солнце используется в качестве усилителя сигнала», — сказал соавтор Дин Юань из Шэньчжэньской ключевой лаборатории численного прогнозирования космических штормов Харбинского технологического института в Гуандуне, Китай.
