Иллюстрация глобального коронального магнитного поля при вращении Солнца. Фоном является солнечная корона, наблюдаемая в крайнем ультрафиолетовом диапазоне волн, с наложенными поверх нее глобальными картами коронального магнитного поля, измеренными в разное время. Фото: Цзыхао Ян.
Впервые ученые провели почти ежедневные измерения глобального коронального магнитного поля Солнца — области Солнца, которая в прошлом наблюдалась нерегулярно. Полученные в результате наблюдения дают ценную информацию о процессах, которые вызывают интенсивные солнечные бури, влияющие на фундаментальные технологии и, следовательно, на жизнь и средства к существованию здесь, на Земле.
Анализ данных, собранных за восемь месяцев с помощью прибора под названием «Модернизированный корональный многоканальный поляриметр» (UCoMP), был опубликован в журнале Science.
Солнечное магнитное поле является основной движущей силой солнечных бурь, которые могут представлять угрозу для электросетей, систем связи и космических технологий, таких как GPS. Однако наша способность понять, как магнитное поле накапливает энергию и извергается, ограничена проблемой наблюдения за ним в солнечной короне, верхних слоях атмосферы Солнца.
Измерение магнетизма региона с помощью стандартных поляриметрических методов обычно требует большого и дорогого оборудования, которое на сегодняшний день способно изучать лишь небольшие сегменты короны.
Однако совместное использование корональной сейсмологии и наблюдений UCoMP позволяет исследователям создавать последовательные и полные представления о магнитном поле глобальной короны — вид всего Солнца, который можно увидеть во время солнечного затмения.
«Глобальное картирование коронального магнитного поля было большой недостающей частью в изучении Солнца», — сказал Цзихао Ян, ведущий автор, который проводил это исследование в качестве доктора философии. окончил Пекинский университет (Китай) и в настоящее время является научным сотрудником Национального центра атмосферных исследований Национального научного фонда США (NSF NCAR).
«Это исследование помогает нам заполнить важнейший пробел в нашем понимании корональных магнитных полей, которые являются источником энергии для штормов, которые могут повлиять на Землю».
Международная команда состоит из исследователей из Университета Нортумбрии, Великобритания; НФС НКАР; Пекинский университет, Китай; и Мичиганский университет. Инструмент UCoMP управляется NSF NCAR в Солнечной обсерватории Мауна-Лоа.
Модернизированный инструмент
Хотя учёным удалось регулярно измерять магнитное поле на поверхности Солнца, известное как фотосфера, долгое время было трудно измерить гораздо более тусклое корональное магнитное поле. Это ограничило более глубокое понимание трехмерной структуры и эволюции магнитного поля короны, в которой зарождаются солнечные бури.
Для измерения трехмерных корональных магнитных полей на глубине необходимы большие телескопы, такие как солнечный телескоп Дэниела К. Иноуйе (DKIST) NSF. DKIST является крупнейшим в мире солнечным телескопом с апертурой диаметром 4 метра и недавно продемонстрировал свою революционную способность проводить детальные наблюдения за корональным магнитным полем.
Однако DKIST не может нанести на карту все солнце сразу. Меньший по размеру инструмент UCoMP на самом деле лучше подходит для того, чтобы дать ученым глобальную картину коронального магнитного поля, хотя и с более низким разрешением и в двумерной проекции. Таким образом, наблюдения из обоих источников в значительной степени дополняют целостное представление о корональном магнитном поле.
UCoMP — это, прежде всего, коронограф, инструмент, который использует диск для блокировки солнечного света, подобно затмению, что облегчает наблюдение короны. Он также сочетает в себе поляриметр Стокса, который отображает другую спектральную информацию, такую как интенсивность корональных линий и доплеровскую скорость.
Несмотря на то, что UCoMP имеет гораздо меньшую апертуру (20 см), он способен обеспечивать более широкий обзор, что позволяет в большинстве дней изучать все Солнце.
Исследователи применили метод, называемый корональной сейсмологией, для отслеживания поперечных магнитогидродинамических (МГД) волн в данных UCoMP. МГД-волны дали им информацию, которая позволила создать двумерную карту силы и направления коронального магнитного поля.
В 2020 году в предыдущем исследовании использовался предшественник UCoMP и метод корональной сейсмологии для создания первой карты глобального коронального магнитного поля. Это был решающий шаг на пути к рутинным измерениям коронального магнитного поля. UCoMP имеет расширенные возможности, позволяющие проводить более детальные, рутинные измерения.
В ходе исследования UCoMP исследовательская группа подготовила 114 карт магнитного поля в период с февраля по октябрь 2022 года, то есть по одной почти через день.
«Мы вступаем в новую эру исследований физики Солнца, когда мы можем регулярно измерять корональное магнитное поле», — сказал Ян.
Завершение картины
Наблюдения также привели к первым измерениям коронального магнитного поля в полярных регионах. Полюсы Солнца никогда не наблюдались напрямую, потому что из-за изгиба Солнца вблизи полюсов оно находится за пределами нашего обзора с Земли.
Хотя исследователи не наблюдали полюса напрямую, они впервые смогли измерить исходящий от них магнетизм. Частично это произошло из-за улучшения качества данных, предоставленных UCoMP, а также из-за того, что солнце было близко к солнечному максимуму. Обычно слабые излучения из полярного региона оказались намного сильнее, что облегчило получение результатов по корональному магнитному полю в полярных регионах.
Будучи научным сотрудником NSF NCAR, Ян продолжит исследования магнитного поля Солнца; он надеется улучшить существующие корональные модели, основанные на измерениях фотосферы. Поскольку нынешний метод, используемый с UCoMP, ограничен двумя измерениями, он по-прежнему не охватывает полное трехмерное магнитное поле.
Ян и его коллеги надеются объединить свои исследования с другими методами, чтобы получить более глубокое понимание полного вектора магнитного поля в короне.
Третье измерение магнитного поля, ориентированное вдоль луча зрения зрителя, имеет особое значение для понимания того, как корона заряжается энергией, приводящей к солнечному извержению.
В конечном счете, необходимо сочетание большого телескопа и глобального поля зрения, чтобы измерить все трехмерные изгибы и хитросплетения, стоящие за такими явлениями, как солнечные извержения; Именно это послужило мотивом для создания предлагаемой Корональной обсерватории солнечного магнетизма (COSMO), солнечного телескопа-рефрактора диаметром 1,5 метра, который проходит окончательную проектную проработку.
«Поскольку корональный магнетизм — это сила, которая заставляет массу Солнца лететь через Солнечную систему, мы должны наблюдать ее в 3D — и везде одновременно, по всей глобальной короне», — сказала Сара Гибсон, руководитель разработки COSMO и исследователь NSF NCAR. учёный соавтор статьи.
«Работа Янга представляет собой огромный шаг вперед в нашей способности понять, как глобальное корональное магнитное поле Солнца меняется изо дня в день. Это имеет решающее значение для нашей способности лучше предсказывать солнечные бури и готовиться к ним, которые представляют собой постоянно растущую опасность для нашей планеты. здесь, на Земле, живет все более технологически зависимая жизнь».
Информация от: Национальным центром атмосферных исследований.
