График плотности гамма-лучей с цветовой кодировкой с энергией от 5 до 150 гигаэлектронвольт на фотон, испущенных Солнцем в период с октября 2013 года по январь 2015 года и зарегистрированных телескопом НАСА Fermi-LAT. Оно наложено на изображение Солнца в искусственном цвете в ультрафиолетовом свете, полученное Обсерваторией солнечной динамики НАСА в декабре 2014 года. Фото: Арсиоли и Орландо, 2024 год и НАСА/SDO/Дуберштейн.
Новое исследование, опубликованное в «Астрофизическом журнале», создало сжатый 14-летний фильм Солнца, наблюдаемого в гамма-лучах, инструмент визуализации, который показал, что — вопреки ожидаемому равномерному распределению этих фотонов высокой энергии — солнечный диск может стать ярче в полярных регионах. Тенденция преобладания солнечного свечения в гамма-лучах в самых высоких широтах очевидна во время пика солнечной активности, что можно было наблюдать в июне 2014 года.
Исследование, проведенное Бруно Арсиоли из Института астрофизики и космических наук (IA) в Португалии и факультета наук Лиссабонского университета, может способствовать пониманию пока неизвестного процесса, который заставляет Солнце светить. раз ярче в гамма-лучах, чем ожидают физики. Он также может служить основой для прогнозов космической погоды.
Солнечные гамма-лучи образуются в гало нашей звезды и во время солнечных вспышек, а также испускаются с ее поверхности. «Солнце наполнено частицами со скоростью, близкой к скорости света, прибывающими из-за пределов нашей галактики во всех направлениях», — говорит Бруно Арсиоли. «Эти так называемые космические лучи электрически заряжены и отклоняются магнитными полями Солнца. Те, которые взаимодействуют с солнечной атмосферой, производят дождь гамма-лучей».
Ученые считали, что эти потоки имеют равные шансы быть замеченными где угодно на солнечном диске. Эта работа предполагает, что космические лучи могут взаимодействовать с магнитным полем Солнца и, таким образом, создавать распределение гамма-лучей, которое не является однородным на всех широтах нашей звезды.
«Мы также обнаружили разницу в энергии между полюсами», — добавляет Бруно Арсиоли. «На южном полюсе имеется избыток излучений более высоких энергий, фотонов с энергией от 20 до 150 ГэВ, тогда как большая часть менее энергичных фотонов исходит с северного полюса». У ученых пока нет объяснения этой асимметрии.
Очевидно, что в период максимума цикла солнечной активности гамма-лучи чаще всего излучаются в более высоких широтах. Особенно они были сконцентрированы на солнечных полюсах в июне 2014 года, во время инверсии солнечного магнитного поля. Это когда диполь магнитного поля Солнца меняет два знака — своеобразное явление, которое, как известно, происходит на пике солнечной активности один раз в 11 лет.
«Мы получили результаты, которые бросают вызов нашему нынешнему пониманию Солнца и его окружающей среды», — говорит Елена Орландо из Университета Триеста, INFN и Стэнфордского университета и соавтор этого исследования.
«Мы продемонстрировали сильную корреляцию асимметрии солнечного гамма-излучения с переворотом солнечного магнитного поля, что выявило возможную связь между солнечной астрономией, физикой элементарных частиц и физикой плазмы».
Используемые данные были получены за 14 лет наблюдений с помощью спутника гамма-излучения Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) в период с августа 2008 года по январь 2022 года. Этот период охватывал полный солнечный цикл, от минимума до следующего, с пиком в 2014.
Одна из задач заключалась в том, чтобы отделить солнечное излучение от многочисленных других источников гамма-лучей на заднем плане неба, пересекаемых видимой траекторией Солнца. Бруно Арсиоли и его коллега Елена Орландо создали инструмент, позволяющий объединить все события солнечного гамма-излучения в пределах окна порядка 400–700 дней, и это окно может перемещаться по 14-летнему периоду.
Благодаря этой визуализации стали понятны моменты полярных избытков, а также энергетическое несоответствие между севером и югом.
«Изучение гамма-излучения Солнца представляет собой новое окно для изучения и понимания физических процессов, происходящих в атмосфере нашей звезды», — говорит Арсиоли. «Какие процессы создают эти избытки на полюсах? Возможно, существуют дополнительные механизмы генерации гамма-лучей, выходящие за рамки взаимодействия космических лучей с поверхностью Солнца».
Тем не менее, если мы будем придерживаться космических лучей, они могут работать как зонд внутренней солнечной атмосферы. Анализ этих наблюдений Fermi-LAT также мотивирует новый теоретический подход, который должен учитывать более детальное описание магнитных полей Солнца.
Художественная концепция космического гамма-телескопа Ферми НАСА. Ферми сканирует все небо каждые три часа, пока он вращается вокруг Земли. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/Крис Смит (USRA/GESTAR)
Возможная связь между производством гамма-лучей Солнцем и впечатляющими периодами более частых солнечных вспышек и выбросов корональной массы, а также между ними и изменениями в магнитной конфигурации нашей звезды может помочь улучшить физические модели, предсказывающие солнечную активность. Они лежат в основе прогнозов космической погоды, необходимых для защиты приборов на спутниках в космосе, а также телекоммуникаций и другой электронной инфраструктуры на Земле.
«В 2024 году и в следующем году мы испытаем новый солнечный максимум, и очередная инверсия магнитных полюсов Солнца уже началась. Мы ожидаем, что к концу 2025 года произойдет переоценка того, последует ли за инверсией магнитных полей избыток выбросы гамма-лучей с полюсов», — говорит Бруно Арсиоли.
Елена Орландо добавляет: «Мы нашли ключ к разгадке этой тайны, которая подсказывает будущие направления, по которым следует двигаться. Крайне важно, чтобы телескоп Ферми работал и наблюдал Солнце в ближайшие годы».
Но солнечные гамма-лучи, вероятно, могут раскрыть еще больше и потребовать дальнейшего внимания. Это исследование укрепит научные обоснования непрерывного мониторинга Солнца с помощью космических обсерваторий гамма-излучения следующего поколения.
«Если будет установлено, что выбросы высокой энергии действительно несут информацию о солнечной активности, то следующую миссию следует запланировать для предоставления данных в реальном времени о гамма-излучении Солнца», — говорит Арсиоли.
Информация от: Лиссабонским университетом
