Ученые представили первую непрерывную двумерную карту магнитной границы Солнца, критической области, известной как поверхность Альвена. Этот подвиг стал возможным благодаря данным, собранным в течение нескольких лет солнечным зондом НАСА «Паркер», который совершил беспрецедентные погружения в солнечную атмосферу, известную как корона.
Эта поверхность представляет собой фундаментальный предел: это точка, в которой поток частиц, испускаемых звездой, солнечным ветром, достигает скорости, превышающей способность солнечного магнитного поля его сдерживать. Оттуда материал необратимо уходит в межпланетное пространство, путешествуя по всей Солнечной системе.
Беспрецедентное картирование не только подтверждает существование и расположение этой границы, но также демонстрирует, что ее форма и высота резко меняются в зависимости от 11-летнего цикла солнечной активности. Понимание этой динамики необходимо для разгадки тайн нагрева короны и ускорения солнечного ветра.
Путешествие солнечного зонда «Паркер»
Запущенный в 2018 году солнечный зонд Parker является одной из самых смелых миссий в истории освоения космоса. Его главная цель — выйти на орбиту Солнца ближе, чем любой другой человеческий артефакт, пересечь солнечную атмосферу для проведения прямых измерений. Чтобы выдержать экстремальные температуры, которые могут достигать почти 1400 градусов по Цельсию, зонд оснащен современным тепловым экраном из углеродного композита. Его эллиптическая траектория позволяет ему быстро проходить через корону, собирая ценные данные, прежде чем уйти, чтобы остыть.
Ключевым инструментом для этого картографирования был SWEAP (Alphas and Protons Solar Wind Electrons), предназначенный для измерения свойств частиц, составляющих солнечный ветер. Многократно пересекая поверхность Альвена, Паркер смог зафиксировать изменения в характеристиках плазмы, подтвердив оценки, сделанные на основе дистанционных наблюдений, и предоставив детальное представление о регионе, где рождается солнечный ветер.
Трансформации солнечного цикла 25
Наблюдения зонда охватывали фазу восхождения текущего солнечного цикла под номером 25, которая началась в 2019 году и приближается к пику активности. Данные показали, что средняя высота поверхности Альвена увеличилась примерно на 30% за этот период.
Во время солнечного минимума, когда активность звезды низкая, магнитная граница кажется более гладкой и ближе к видимой поверхности Солнца. В этом сценарии Паркеру нужно было подойти намного ближе, чтобы пересечь его.
По мере того, как Солнце становится более активным, с увеличением солнечных пятен и вспышек, поверхность Альфвена расширяется в космос и приобретает гораздо более сложную и неправильную структуру, полную выпуклостей и вершин.
Карта, построенная с несколькими перспективами
Создание такой всеобъемлющей карты не было работой одной миссии. Исследователи применили сложную технику, которая объединила различные источники данных для создания полного портрета.
Прямые измерения Parker Solar Probe, проведенные внутри короны, послужили основным источником проверки, подтвердив точное расположение границы в определенных точках ее орбиты.
Эти данные были объединены с удаленными наблюдениями миссии Solar Orbiter, совместной работы ЕКА и НАСА, которая изучает Солнце с промежуточного расстояния и с другой точки зрения.
Кроме того, были использованы данные космических аппаратов, расположенных в точке Лагранжа L1 — стабильном месте между Землей и Солнцем, которые непрерывно отслеживают характеристики солнечного ветра, достигающего нашей планеты.
Заостренная форма солнечной короны
Карта подтвердила, что граница Солнца далека от однородной сферы. Его внешний вид описывали как «колючий» или «морщинистый», особенно в периоды повышенной солнечной активности. Эти неровности являются визуальным проявлением сложных физических процессов, происходящих в кроне.
Выступы и впадины на поверхности Альвена напрямую связаны со структурой магнитного поля, исходящего от поверхности Солнца. Считается, что эти заостренные формы являются местами, где магнитная энергия высвобождается наиболее интенсивно, способствуя ускорению частиц солнечного ветра до скоростей, которые могут превышать один миллион километров в час.
Актуальность к космической погоде
Возможность составить карту и предсказать поведение поверхности Альвена имеет прямое и практическое значение для жизни на Земле. Солнечный ветер и солнечные бури, которые представляют собой более сильные выбросы корональной массы, составляют то, что называется «космической погодой». Эти всплески энергичных частиц могут повредить спутники, помешать радиосвязи и системам GPS-навигации и даже перегрузить электрические сети на земле. Более точные модели происхождения и распространения солнечного ветра, основанные на этих новых картах, позволят более точно прогнозировать возникновение суровых явлений космической погоды, давая время для принятия защитных мер.
Детали солнечной границы
Концепция альфвеновской поверхности была впервые теоретизирована физиком, лауреатом Нобелевской премии Ханнесом Альфвеном. Он постулировал, что в атмосфере звезды должен быть предел, при котором энергия магнитного поля равна кинетической энергии расширяющейся плазмы. Внутри этой границы плазма магнитно связана со звездой и вынуждена вращаться вместе с ней. За его пределами плазма вырывается на свободу и радиально утекает в космос. Наблюдательное подтверждение и детальное картирование этого региона представляют собой важную веху для гелиофизики, решая загадку, возникшую десятилетия назад, и открывая новые направления исследований фундаментальной физики звезд. Сложность, показанная на карте, с ее динамической и нерегулярной структурой, бросает вызов более простым моделям и требует новых теорий для объяснения переноса энергии в солнечной короне.
Следующие шаги по разведке
Миссия Parker Solar Probe еще далека от завершения. В ближайшие годы зонд продолжит приближаться к Солнцу, скоро достигнув максимального сближения.
Будущие данные позволят нам уточнить текущую двухмерную карту, добавив больше деталей и в конечном итоге расширив ее до трехмерной модели, включающей полярные области Солнца, которые еще мало изучены.