Если вам понравилось летнее полярное сияние, поблагодарите корону Солнца. Корона — это внешний слой Солнца, источник большей части космической погоды, включая полярные сияния. Полярные сияния — это безобидные световые шоу, но не вся космическая погода производит такие безобидные явления; некоторые из них опасны и разрушительны.
Стремясь понять космическую погоду и солнечную корону, Национальный научный фонд направил самый мощный в мире солнечный телескоп — солнечный телескоп Дэниела К. Иноуэ — на корону, чтобы составить карту ее магнитных полей.
Космическая погода влияет на магнитосферу, ионосферу, термосферу и экзосферу Земли. Она включает в себя солнечные вспышки, корональные выбросы массы (CME) и солнечный ветер.
Солнечные вспышки — это мощные выбросы электромагнитной энергии, которые могут повредить спутники и нарушить радиосвязь, и часто связаны с солнечными пятнами. Корональные выбросы массы — это выбросы плазмы из короны, которые сталкиваются с магнитосферой, вызывая геомагнитные бури и полярные сияния, а при достаточной мощности — нарушая работу электросетей. Солнечный ветер — это постоянный поток заряженных частиц, который вырывается из солнечной короны и вызывает полярные сияния. Поскольку солнечный ветер никогда не останавливается, он также может изменить орбиту спутников.
Солнечная корона состоит из плазмы, и хотя она довольно тусклая, она очень горячая.
Ученые знают, какую большую роль играет солнечная корона в космической погоде, но они не понимают, как магнитные поля Солнца управляют ею. Однако солнечный телескоп Дэниела К. Иноуэ (DKIST) впервые успешно составил карту магнитного поля короны. Понимание магнитного поля имеет решающее значение для понимания и прогнозирования космической погоды.
Результаты представлены в новой статье под названием «Картографирование коронального магнитного поля Солнца с использованием эффекта Зеемана». Она опубликована в журнале Science Advances, а ведущим автором является Томас Шад, научный сотрудник Национальной солнечной обсерватории, организации, которая управляет DKIST.
«Этот прорыв обещает значительно расширить наши знания о солнечной атмосфере и ее влиянии на нашу Солнечную систему».
Томас Шад, NSO
Томас Шад является ведущим автором новой статьи, но он уже несколько лет работает с DKIST. В статье 2023 года Шад и его соавторы объяснили, что «Возможность измерения корональных магнитных полей с помощью круговой поляризации, вызванной эффектом Зеемана, была целью поколения для понимания внешней атмосферы Солнца».
Для этого DKIST использует один из своих основных инструментов — криогенный ближнеинфракрасный спектрополяриметр (cryo-NIRSP). Cryo-NIRSP идеально подходит для поляриметрических наблюдений солнечной короны. В 2023 году Шад и его соавторы объяснили, что «одной из главных целей Cryo-NIRSP является регулярное и чувствительное измерение корональной интенсивности, скорости, плотности и магнитных полей с беспрецедентным временным, пространственным и поляриметрическим разрешением».
Эффект Зеемана позволяет DKIST измерять поля, наблюдая расщепление спектральных линий. Спектральные линии подобны «отпечаткам пальцев», и они возникают в результате поглощения или испускания света определенными атомами или молекулами. В присутствии статического магнитного поля спектральные линии расщепляются. Расщепление дает исследователям представление о магнитных свойствах Солнца.
Астрономы пытались изучать эффект Зеемана и расщепление спектральных линий в прошлом, но наблюдениям не хватало детализации и регулярности. DKIST изменил это.
Проблема наблюдения короны Солнца заключается в ее слабости по сравнению с остальной частью Солнца. Корона примерно в миллион раз слабее солнечного диска, и ее можно было наблюдать только во время солнечного затмения. DKIST использует коронографию для создания искусственных затмений, позволяя увидеть корону. Это позволяет телескопу видеть чрезвычайно слабые поляризованные сигналы, которые в ошеломляющий миллиард раз слабее диска.
«Достижения Иноуэ в картировании корональных магнитных полей Солнца являются свидетельством инновационного дизайна и возможностей этой новаторской уникальной обсерватории», — сказал Шад. «Этот прорыв обещает значительно улучшить наше понимание солнечной атмосферы и ее влияния на нашу солнечную систему».
Выбросы корональной массы — самый опасный тип космической погоды. Магнитосфера Земли обладает защитным эффектом, но корональные выбросы массы могут врезаться в нее и подавить ее, вызывая геомагнитную бурю. Самая мощная геомагнитная буря, о которой мы знаем, — это событие Кэррингтона 1859 года. В то время телеграф в США был новым, и буря вывела из строя некоторые его части. Она также стала причиной пожаров и травмировала несколько человек.
В наш современный спутниковый век такой мощный шторм может быть разрушительным. Если мы сможем предсказать их, мы сможем укрепить наши спутники и энергосети и минимизировать последствия. Понимая, как работают корональные магнитные поля Солнца, ученые надеются, что смогут предвидеть, когда мощный корональный выброс массы приблизится к нам.
«Точно так же, как подробные карты поверхности и атмосферы Земли позволили точнее прогнозировать погоду, эта захватывающе полная карта магнитных полей в солнечной короне поможет нам лучше предсказывать солнечные бури и космическую погоду», — сказала доктор Кэрри Блэк, директор программы NSF для NSO. «Невидимые, но феноменально мощные силы, запечатленные на этой карте, будут продвигать солнечную физику в следующем столетии и далее».
«Реконструкция трехмерного распределения корональной плазмы и ее встроенных магнитных напряжений остается важной для понимания корональной энергетики», — объясняют авторы в своем исследовании. «Эти первые представленные карты коронального эффекта Зеемана, ставшие возможными благодаря DKIST, раскрывают богатство информации, которую поляриметрическая диагностика предоставляет для солнечной короны, в частности для ее ключевого фактора: магнитного поля».
Эти результаты выходят за рамки только Солнца и локальной космической погоды. Эти подробные знания построят наше понимание звезд в целом.
«Картографирование силы магнитного поля в короне — это фундаментальный научный прорыв не только для солнечных исследований, но и для астрономии в целом», — сказал директор NSO Кристоф Келлер. «Это начало новой эры, в которой мы поймем, как магнитные поля звезд влияют на планеты, здесь, в нашей собственной солнечной системе, и в тысячах экзопланетных систем, о которых мы теперь знаем».
