Магнитные волны вызывают быстрый солнечный ветер. Фото предоставлено: Европейское космическое агентство.
Космический корабль ЕКА Solar Orbiter предоставил важные данные для ответа на давний вопрос о том, откуда берется энергия, которая нагревает и ускоряет солнечный ветер. Работая с солнечным зондом Паркер НАСА, Solar Orbiter показал, что энергия, необходимая для этого истечения, поступает из сильных колебаний магнитного поля Солнца.
Солнечный ветер — это постоянный поток заряженных частиц, который вырывается из солнечной атмосферы (называемой короной) и обтекает Землю. Столкновение солнечного ветра с атмосферой нашей планеты вызывает красочные полярные сияния на нашем небе.
«Быстрый» солнечный ветер движется со скоростью более 500 км/с, что составляет колоссальные 1,8 миллиона км/ч. Интересно, что этот ветер покидает солнечную корону с меньшей скоростью, поэтому по мере удаления от него он немного ускоряется. Ветер в миллион градусов естественным образом охлаждается, увеличиваясь в объеме и становясь тоньше, подобно тому, как охлаждается воздух на Земле, когда вы поднимаетесь на гору. И все же только из-за этого эффекта он остывает медленнее, чем ожидалось.
Так что же обеспечивает энергию, необходимую для ускорения и нагрева самых быстрых частей солнечного ветра? В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые использовали данные солнечного орбитального аппарата ЕКА и солнечного зонда Паркер НАСА, чтобы убедительно доказать, что ответом являются крупномасштабные колебания магнитного поля Солнца, известные как альфвеновские волны.
«До этой работы альфвеновские волны предлагались в качестве потенциального источника энергии, но у нас не было окончательных доказательств», — говорит Йейми Ривера из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского института, Массачусетс, один из первых авторов статьи.
В обычном газе, таком как атмосфера Земли, могут передаваться только звуковые волны. Однако когда газ нагревается до необычайных температур, например, в атмосфере Солнца, он переходит в наэлектризованное состояние, называемое плазмой, и реагирует на магнитные поля. Это позволяет формировать в магнитном поле волны, которые называются альфвеновскими волнами. Эти волны накапливают энергию и могут эффективно транспортировать ее через плазму.
Обычный газ выражает запасенную энергию через плотность, температуру и скорость. Однако в плазме магнитное поле также сохраняет энергию. И Solar Orbiter, и Parker Solar Probe имеют необходимые инструменты для измерения свойств плазмы, включая ее магнитное поле.
Хотя два космических корабля работают на разных расстояниях от Солнца и на очень разных орбитах, в феврале 2022 года они выровнялись вдоль одного и того же потока солнечного ветра.
Паркер, действовавший на самом краю солнечной короны на расстоянии 13,3 солнечного радиуса (около 9 млн км) от Солнца, первым пересек поток. Solar Orbiter, работавший на расстоянии 128 солнечных радиусов (89 миллионов км), пересек поток через день или два. «Эта работа стала возможной только благодаря особой ориентации двух космических кораблей, которые исследовали один и тот же поток солнечного ветра на разных этапах его пути от Солнца», — говорит Йейми.
В полной мере воспользовавшись этим редким расположением, команда сравнила измерения одного и того же плазменного тока в двух разных местах. Во-первых, они преобразовали результаты измерений в четыре важные энергетические величины, включая измерение энергии, запасенной в магнитном поле, называемой потоком волновой энергии.
Поскольку энергию невозможно ни создать, ни уничтожить, а только преобразовать из одной формы в другую, команда сравнила измерения Паркера с измерениями Solar Orbiter. Они провели это сравнение как с учетом магнитной энергии, так и без него.
«Мы обнаружили, что если мы не примем во внимание поток волновой энергии в Паркере, мы не получим того количества энергии, которое у нас есть на Солнечном орбитальном аппарате», — говорит Сэмюэл Бэдман из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского университетов. в Массачусетсе, один из ведущих авторов.
Около Солнца, где Паркер измерял ток, около 10 процентов всей энергии содержалось в магнитном поле. В Solar Orbiter это значение упало всего до 1 процента, но плазма ускорилась и остыла медленнее, чем ожидалось.
Сравнив цифры, команда пришла к выводу, что потерянная магнитная энергия вызвала ускорение и замедлила охлаждение плазмы, выделяя некоторое количество тепла.
Данные также показывают, насколько важны магнитные конфигурации, называемые серпантинами, для ускорения ветра. Серпантины представляют собой большие отклонения линий магнитного поля Солнца и примеры альфвеновских волн. Их наблюдали со времен первых солнечных зондов в 1970-х годах, но скорость их открытия резко возросла с тех пор, как солнечный зонд Паркер стал первым космическим кораблем, пролетевшим через солнечную корону в 2021 году, и обнаружил, что змеевики граничат друг с другом пятнами.
Эта новая работа подтверждает, что эти змеевидные кусочки содержат достаточно энергии, чтобы компенсировать недостающую часть ускорения и нагрева быстрого солнечного ветра.
«Эта новая работа умело собирает воедино некоторые большие части солнечной головоломки. Сочетание данных, собранных Solar Orbiter, Parker Solar Probe и другими миссиями, показывает нам все более ясно, что различные солнечные явления действительно взаимодействуют, образуя эту необычную магнитную среду. «, — говорит Дэниел Мюллер, научный сотрудник ЕКА по проекту Solar Orbiter.
И это не просто говорит нам что-то о нашей Солнечной системе. «Наше Солнце — единственная звезда во Вселенной, ветер которой мы можем измерить напрямую. «Поэтому то, что мы узнали о нашем Солнце, может быть применимо, по крайней мере, к другим солнечным звездам и, возможно, к другим типам звезд с ветрами», — говорит Сэмюэл.
В настоящее время команда работает над распространением своего анализа на более медленные формы солнечного ветра, чтобы выяснить, играет ли энергия магнитного поля Солнца также роль в его ускорении и нагреве.
Информация от: Европейским космическим агентством
