Фото: Университет штата Мичиган.
Солнце, обжигающе горячая газовая сфера, состоящая в основном из водорода и гелия, может похвастаться температурой поверхности и внешней атмосферы от 10 000 до 3,6 миллионов градусов по Фаренгейту на своей поверхности и в самом внешнем слое атмосферы. Это сильное тепло заставляет Солнце непрерывно испускать поток плазмы, состоящей из заряженных субатомных частиц — в основном протонов и электронов. Эти частицы, обладающие значительной энергией, преодолевают гравитационное притяжение Солнца и уносятся в космос в виде солнечного ветра. Понимание того, как заряженные частицы взаимодействуют с другими кратковременными выбросами солнечной энергии, может помочь ученым изучить космические лучи, испускаемые при взрывах сверхновых.
Томас До, аспирант астрономии Мичиганского государственного университета, опубликовал статью, предсказывающую, как частицы ускоряются в более широком контексте обстоятельств, чем предыдущие модели. Его модель можно применить к солнечным бурям, которые влияют на технологии в космосе.
До начал работать над заряженными частицами три года назад во время студенческого исследовательского проекта в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики в Массачусетсе. Его исследование было направлено на то, чтобы выяснить, как заряженные частицы ускоряются, когда их увлекает мощный выброс массы от Солнца. Эти взрывы называются корональными выбросами массы, и когда они происходят достаточно быстро, они могут создавать ударные волны.
«Когда они вылетают от Солнца, они по пути взаимодействуют с заряженными частицами. Во время этих взаимодействий частицы получают энергию от ударной волны», — сказал До.
По мере того, как частицы набирают энергию, они устремляются все быстрее и быстрее в космос и к Земле. Иногда частицы набирают такую скорость, что катапультируются мимо гребня ударной волны, вырываясь из-за нее в космос.
Чтобы понять, как убегают заряженные частицы, До расширил модель, разработанную в 2021 году Федерико Фраскетти, астрофизиком Центра астрофизики. Обновленная модель Фраскетти и До предсказывает, как частицы ускоряются и улетают в более широком диапазоне энергий, чем предыдущие модели. В частности, их модель учитывает выход частиц из ускоряющейся области в диапазоне более высоких и низких энергий. Это важно, сказал Фрасетти, потому что раньше считалось, что только частицы высокой энергии могут вырваться на свободу от ударной волны.
Предыдущая модель, которую ученые использовали для прогнозирования заряженных частиц, разработанная около 50 лет назад, не включала частицы низкой энергии. Используя несколько уровней энергии в своей обновленной модели, команда создала набор уравнений, которые предсказывают, как частицы ускоряются с течением времени и сколько частиц улетает на каждом уровне энергии.
«Мы пытаемся позволить большему количеству частиц улетучиться, потому что считаем, что это более физически реалистично», — сказал До.
Расширив модель, он и Фраскетти захотели сравнить ее с реальным солнечным событием.
Они знали, что появление у них шанса — лишь вопрос времени, сказал Фраскетти. Это потому, что Солнце достигает своего солнечного максимума, когда солнечная активность достигает максимума в своем 11-летнем цикле. Во время солнечного максимума массивные взрывы, необходимые для создания ударных волн, происходят чаще и интенсивнее.
Такого события команде не пришлось долго ждать. 5 сентября 2022 года Солнце выбросило в космос огромную порцию энергии, когда солнечный зонд НАСА «Паркер» совершил одно из своих ближайших погружений к звезде. Зонд записал такие данные, как скорость частиц и температура, когда на него обрушилась ударная волна взрыва.
«Нам очень повезло в сентябре 2022 года увидеть самое начало этого процесса», — сказал Фраскетти. «Это одно из событий, для измерения которых был разработан Parker Solar Probe».
Они обнаружили, что предсказание их модели соответствует тому, что сообщил солнечный зонд Паркер: ускорение частиц и их выход на различных энергетических уровнях. Зонд находился очень близко к Солнцу — для масштаба: если бы Земля и Солнце находились на расстоянии метра друг от друга, зонд находился бы всего на расстоянии около 7 сантиметров. Эта близость означала, что частицы, которые он прошел, недавно пересеклись с ударной волной, поэтому команда могла видеть данные о частицах, которые еще не набрали большую скорость.
«Модель показала превосходное согласие с данными и подтвердила, что наши физические ожидания того, что происходит с молодыми ударными волнами вблизи Солнца, верны», — сказал Фраскетти. «Мы никогда не проверяли эти ожидания, и так не должно было быть».
«Эта модель может быть использована в других областях космических исследований, связанных с заряженными частицами», — сказал До.
Информация от: Мичиганским государственным университетом
