Зонд приблизился к Солнцу, переписывая законы физики короны

Достаточно близко, чтобы почувствовать дыхание Солнца: космический аппарат подошел к светилу ближе, чем когда-либо

В начале этого года космический аппарат подлетел к Солнцу ближе, чем любой другой исследователь в истории, и передал комплекс измерений, которые заставляют физиков пересмотреть классическую проблему солнечной науки. Зонд NASA Parker Solar Probe неоднократно погружался глубоко во внешнюю атмосферу Солнца, приближаясь на расстояние около 3,8 миллиона миль от видимой солнечной поверхности во время своих самых смелых сближений. Эти первичные измерения частиц и полей in-situ, проведенные там, где рождается солнечный ветер и все еще активно взаимодействует с магнитным полем Солнца, теперь используются вместе с новыми инструментами анализа, чтобы выяснить, как энергия передается ветру и почему температура короны достигает миллионов градусов.

Parker Solar Probe был запущен в 2018 году и использует серию гравитационных маневров у Венеры, чтобы постепенно снижать свой перигелий, заходя во внутреннюю гелиосферу. Во время своих ближайших пролетов аппарат входил в регионы, которые до недавнего времени оставались для гелиофизиков чисто теоретической областью. Эта близость имеет значение: приборы на борту зонда измеряют распределение ионов и электронов по скоростям напрямую, а не косвенно через дистанционные световые или радиосигналы. Эти распределения не похожи на простые колоколообразные максвелловские кривые, которые предполагаются во многих моделях; напротив, они асимметричны и структурированы, неся на себе «отпечатки» недавнего нагрева и волновой активности.

Поскольку зонд физически пересекает корону и формирующийся солнечный ветер, ученые могут сравнить локальные измерения с предсказаниями многолетних теорий. Полученный набор данных уникален как по близости к объекту, так и по точности: магнитные поля, скорости и плотность частиц, электромагнитные волны в широком диапазоне частот — все это измерено в пределах нескольких миллионов миль от Солнца. Именно это сочетание позволяет исследователям проверять, отвергать и уточнять механизмы нагрева, споры о которых ведутся уже более столетия.

Почему рекордное сближение аппарата с Солнцем дает ключи к разгадке нагрева короны

Вековая тайна, лежащая в основе этих наблюдений, — проблема нагрева солнечной короны: внешняя атмосфера Солнца, корона, на порядки горячее видимой поверхности под ней. Температура фотосферы составляет около 5 800 кельвинов, тогда как в короне она достигает миллионов кельвинов. То, как энергия перемещается из нижних слоев Солнца вверх в разреженную плазму, которая при этом становится намного горячее, оставалось загадкой с тех пор, как в начале XX века впервые было высказано предположение о высоких температурах короны.

В новой работе, опубликованной в этом году, используются данные измерений Parker при сближении с Солнцем вместе с инструментом численного анализа под названием ALPS (Arbitrary Linear Plasma Solver), чтобы вплотную подойти к решению этой загадки. ALPS позволяет ученым рассчитать, как наблюдаемые немаксвелловские распределения частиц по скоростям взаимодействуют с электромагнитными волнами ионного масштаба: какие волны излучаются, какие поглощаются и каким количеством энергии они обмениваются. Результатом является гораздо более детальный учет потока энергии во внутренней гелиосфере по сравнению с ранними моделями, которые предполагали термализованные популяции частиц.

Что обнаружил зонд: волны, затухание и медленное охлаждение

Главный вывод нового анализа заключается в том, что солнечный ветер не просто расширяется и остывает по мере удаления от Солнца; напротив, он подвергается постоянному нагреву в результате мелкомасштабных взаимодействий между волнами и частицами. Измерения Parker показывают устойчивую анизотропию и отклонения от теплового равновесия в скоростях ионов, а ALPS указывает на то, что эти нетепловые особенности делают возможным излучение и поглощение волн ионного масштаба. Поглощение этих волн специфическими популяциями частиц передает им энергию и замедляет охлаждение, которое в противном случае было бы результатом простого расширения.

Ученые называют наблюдаемое последствие «затуханием» (damping): энергия волн преобразуется в кинетическую энергию частиц и перераспределяется между ионами и электронами. Это затухание неоднородно — оно зависит от локальной магнитной геометрии, формы распределения скоростей и присутствующих волновых мод. Такой пространственно изменяющийся нагрев помогает объяснить, почему корона остается столь горячей вблизи Солнца и как солнечный ветер набирает скорость, устремляясь вовне.

Последствия для космической погоды, спутников и астрофизики

Это не просто абстрактные детали. Лучшее понимание того, как и где нагревается солнечный ветер, напрямую ложится в основу моделей, прогнозирующих развитие корональных выбросов массы и радиационных бурь на пути к Земле. Более реалистичный учет распределения частиц и затухания изменит расчеты того, насколько быстрыми и мощными становятся солнечные извержения при прохождении через гелиосферу. Для операторов спутников, энергосетей и авиационных маршрутов вблизи полюсов это может означать более точные предупреждения и снижение рисков.

Физические процессы, обнаруженные в ходе рекордного сближения аппарата с Солнцем, имеют значение далеко за пределами околоземного пространства. Горячая намагниченная плазма повсеместно встречается во Вселенной — в аккреционных дисках вокруг черных дыр, звездных ветрах и разреженном газе между галактиками. Те же типы процессов взаимодействия волн и частиц и нетепловые распределения скоростей, вероятно, управляют диссипацией энергии и в этих системах, поэтому уроки, полученные от Parker, будут внедряться в астрофизические модели еще долгие годы.

Как это меняет общую картину и что будет дальше

До сих пор во многих моделях зарождающийся солнечный ветер рассматривался как приблизительно тепловой, и использовались упрощенные формулы для волнового нагрева. Новые прямые измерения показывают, что эти допущения упускают важные каналы передачи энергии. Сочетая данные in-situ с такими вычислителями, как ALPS, исследователи теперь могут предсказать, какие популяции частиц получают энергию и на каких радиальных расстояниях — предсказания, которые можно проверить в ходе повторных пролетов Parker, когда аппарат исследует различные части короны в течение солнечного цикла.

Следующие шаги включают расширение набора проанализированных сближений, сравнение данных Parker с дистанционными наблюдениями других аппаратов и включение уточненных условий нагрева в глобальные модели гелиосферы. Команды уже работают над картированием «точки невозврата» в атмосфере Солнца — границы, где плазма вырывается из магнитного удержания светила, — и над тем, как затухание и поглощение волн меняются в зависимости от солнечной активности. По мере того как Parker будет продолжать снижать свой перигелий, эти карты будут становиться все более точными и прогностически значимыми.

Источники