Миссия Solar Orbiter раскрыла тайну «медленного» солнечного ветра

Ученые подошли на шаг ближе к определению загадочного происхождения «медленного» солнечного ветра, используя данные, собранные во время первого близкого полета космического корабля Solar Orbiter к Солнцу.

Солнечный ветер, который может двигаться со скоростью сотни километров в секунду, уже много лет очаровывает ученых, и новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, наконец, проливает свет на то, как он формируется.

Солнечный ветер описывает непрерывный поток заряженных частиц плазмы от Солнца в космос: ветер, движущийся со скоростью более 500 км в секунду, называется «быстрым», а скорость менее 500 км в секунду — «медленным».

Когда этот ветер достигает атмосферы Земли, это может привести к появлению потрясающего полярного сияния, известного как Северное сияние. Но когда высвобождается большее количество плазмы в форме выброса корональной массы, это также может быть опасным, нанося значительный ущерб спутникам и системам связи.

Несмотря на десятилетия наблюдений, источники и механизмы, которые высвобождают, ускоряют и транспортируют плазму солнечного ветра от Солнца в нашу Солнечную систему, недостаточно изучены, особенно медленный солнечный ветер.

В 2020 году Европейское космическое агентство (ЕКА) при поддержке НАСА запустило миссию Solar Orbiter. Помимо получения самых близких и подробных изображений Солнца, одна из основных целей миссии — измерить и связать солнечный ветер с областью его происхождения на поверхности Солнца.

На борту Solar Orbiter, описанной как «самая сложная научная лаборатория, когда-либо отправлявшаяся на Солнце», имеется десять различных научных инструментов — некоторые из них находятся на месте для сбора и анализа образцов солнечного ветра, когда он проходит мимо космического корабля, а также других средств дистанционного зондирования. инструменты, предназначенные для получения высококачественных изображений активности на поверхности Солнца.

Объединив фотографические и инструментальные данные, ученые впервые смогли более четко определить, где зарождается медленный солнечный ветер. Это помогло им выяснить, как он может покинуть Солнце и начать свое путешествие в гелиосферу — гигантский пузырь вокруг Солнца и его планет, который защищает нашу Солнечную систему от межзвездной радиации.

Доктор Стеф Ярдли из Университета Нортумбрии, Ньюкасл-апон-Тайн, возглавил исследование и объяснил: «Изменчивость потоков солнечного ветра, измеренная на месте на космическом корабле, находящемся вблизи Солнца, дает нам много информации об их источниках, и хотя прошлые исследования проследили происхождение солнечного ветра, это было сделано гораздо ближе к Земле, и к тому времени эта изменчивость утрачена.

«Поскольку Solar Orbiter движется так близко к Солнцу, мы можем уловить сложную природу солнечного ветра, чтобы получить гораздо более четкое представление о его происхождении и о том, как эта сложность обусловлена ​​изменениями в различных регионах-источниках».

Считается, что разница между скоростью быстрого и медленного солнечного ветра обусловлена ​​разными областями солнечной короны, самого внешнего слоя его атмосферы, из которых они происходят.

Открытая корона относится к областям, где линии магнитного поля прикрепляются к Солнцу только на одном конце и уходят в космос на другом, создавая шоссе для выхода солнечного материала в космос. Эти области более прохладные и считаются источником быстрого солнечного ветра.

Между тем, закрытая корона относится к областям Солнца, где линии магнитного поля закрыты, то есть они соединены с солнечной поверхностью на обоих концах. Их можно рассматривать как большие яркие петли, образующиеся над магнитно-активными областями.

Время от времени эти замкнутые магнитные петли разрываются, предоставляя солнечному материалу краткую возможность выйти наружу, точно так же, как это происходит через открытые линии магнитного поля, прежде чем снова соединиться и сформировать замкнутый контур. Обычно это происходит в областях, где встречаются открытая и закрытая короны.

Одна из целей Solar Orbiter — проверить теорию о том, что медленный солнечный ветер возникает из закрытой короны и способен уходить в космос посредством процесса разрыва и повторного соединения линий магнитного поля.

Одним из способов, которым научная группа смогла проверить эту теорию, было измерение «состава» потоков солнечного ветра.

Комбинация тяжелых ионов, содержащихся в солнечном веществе, различается в зависимости от того, откуда оно произошло; более горячая закрытая корона по сравнению с более холодной открытой короной.

Используя инструменты на борту Solar Orbiter, команда смогла проанализировать активность, происходящую на поверхности Солнца, а затем сопоставить ее с потоками солнечного ветра, собранными космическим кораблем.

Используя изображения поверхности Солнца, полученные Solar Orbiter, они смогли точно определить, что медленные потоки ветра исходили из области, где встречаются открытая и закрытая короны, доказывая теорию о том, что медленный ветер может вырваться из замкнутых силовых линий магнитного поля. через процесс разрыва и повторного соединения.

Как объясняет доктор Ярдли из исследовательской группы солнечной и космической физики Университета Нортумбрии: «Изменчивый состав солнечного ветра, измеренный на Solar Orbiter, соответствовал изменению состава источников в короне.

«Изменения в составе тяжелых ионов вместе с электронами служат убедительным доказательством того, что изменчивость обусловлена ​​не только различными областями источника, но также и процессами пересоединения, происходящими между замкнутыми и разомкнутыми контурами в короне».

Миссия ESA Solar Orbiter — это международное сотрудничество, в котором ученые и учреждения со всего мира работают вместе, предоставляя специальные навыки и оборудование.

Даниэль Мюллер, научный сотрудник проекта Solar Orbiter ЕКА, сказал: «С самого начала главной целью миссии Solar Orbiter было связать динамические события на Солнце с их воздействием на окружающий плазменный пузырь гелиосферы.

«Чтобы добиться этого, нам необходимо объединить дистанционные наблюдения Солнца с измерениями солнечного ветра, проходящего мимо космического корабля, на месте. Я безмерно горжусь всей командой за успешное проведение этих сложных измерений.

«Этот результат подтверждает, что Solar Orbiter способен устанавливать надежные связи между солнечным ветром и его источниками на поверхности Солнца. Это было ключевой целью миссии и открывает нам возможность изучить происхождение солнечного ветра в беспрецедентных деталях. «

Среди инструментов на борту Solar Orbiter — датчик тяжелых ионов (HIS), частично разработанный исследователями и инженерами из Лаборатории исследований космической физики Мичиганского университета на факультете климатических и космических наук и инженерии. Датчик был разработан для измерения тяжелых ионов в солнечном ветре, которые можно использовать для определения происхождения солнечного ветра.

«Каждая область Солнца может иметь уникальную комбинацию тяжелых ионов, которая определяет химический состав потока солнечного ветра.

«Поскольку химический состав солнечного ветра остается постоянным по мере его распространения в Солнечную систему, мы можем использовать эти ионы в качестве отпечатков пальцев, чтобы определить происхождение конкретного потока солнечного ветра в нижней части солнечной атмосферы», — сказала Сьюзан Лепри, профессор климатических, космических наук и инженерии Мичиганского университета и заместитель главного исследователя датчика тяжелых ионов.

Электроны в солнечном ветре измеряются системой электронного анализатора (EAS), разработанной Лабораторией космических наук Малларда Калифорнийского университета в Университете Лондона, почетным членом которой является доктор Ярдли.

Профессор Кристофер Оуэн из UCL сказал: «Команды, занимающиеся приборами, потратили более десяти лет на проектирование, изготовление и подготовку своих датчиков к запуску, а также на планирование того, как лучше всего их скоординировать. Поэтому очень приятно видеть теперь данные собираются вместе, чтобы выявить, какие регионы Солнца вызывают медленный солнечный ветер и его изменчивость».

Датчик протон-альфа (PAS), измеряющий скорость ветра, был спроектирован и разработан Научно-исследовательским институтом астрофизики и планетологии Университета Поля Сабатье в Тулузе, Франция.

Вместе эти инструменты составляют набор датчиков анализатора солнечного ветра на борту Solar Orbiter, главным исследователем которого является профессор Оуэн из UCL.

Говоря о планах будущих исследований, д-р Ярдли сказал: «До сих пор мы таким образом анализировали данные Solar Orbiter только за этот конкретный интервал. Будет очень интересно посмотреть на другие случаи использования Solar Orbiter, а также провести сравнение с данными Solar Orbiter. наборы данных из других близких миссий, таких как солнечный зонд НАСА «Паркер».

Информация от: Университетом Нортумбрии.