Parker Solar Probe летить назустріч швидкому сонячному вітру та знаходить його джерело

Сонячний зонд NASA Parker Solar Probe (PSP) підлетів досить близько до Сонця, щоб виявити тонку структуру сонячного вітру поблизу місця, де він генерується на поверхні Сонця, виявивши деталі, які втрачаються, коли вітер виходить із корони у вигляді однорідного вибуху. заряджені частинки. Це все одно, що бачити струмені води, що виходять із душової лійки, крізь струмінь води, що б’є вам в обличчя.

У статті, яка буде опублікована в журналі Nature, команда вчених під керівництвом Стюарта Д. Бейла, професора фізики Каліфорнійського університету в Берклі, і Джеймса Дрейка з Університету Меріленд-Коледж-Парк повідомляє, що PSP виявив потоки високоенергетичних частинок, які збігаються з потоками супергрануляції всередині корональних дір, що свідчить про те, що це регіони, де виникає так званий «швидкий» сонячний вітер.

Корональні діри — це області, де лінії магнітного поля виходять із поверхні, не повертаючись назад усередину, таким чином утворюючи відкриті лінії поля, які розширюються назовні та заповнюють більшу частину простору навколо Сонця. Ці діри зазвичай знаходяться на полюсах у періоди сонячної тиші, тому швидкий сонячний вітер, який вони створюють, не вражає Землю. Але коли сонце стає активним кожні 11 років, оскільки його магнітне поле змінюється, ці діри з’являються по всій поверхні, створюючи спалахи сонячного вітру, спрямовані прямо на Землю.

Розуміння того, як і де бере початок сонячний вітер, допоможе передбачити сонячні бурі, які, створюючи на Землі прекрасні полярні сяйва, можуть завдати шкоди супутникам і електричній мережі.

«Вітри переносять багато інформації від Сонця до Землі, тому розуміння механізму, що стоїть за сонячним вітром, важливо з практичних міркувань на Землі», — сказав Дрейк. «Це вплине на нашу здатність зрозуміти, як сонце вивільняє енергію та спричиняє геомагнітні бурі, які є загрозою для наших комунікаційних мереж».

Виходячи з аналізу команди, корональні діри схожі на душові лійки, з приблизно рівномірно розташованими струменями, що виходять із яскравих плям, де лінії магнітного поля проникають у поверхню Сонця та виходять із неї. Вчені стверджують, що коли протилежно спрямовані магнітні поля проходять одне через одне в цих воронках, які можуть мати 18 000 миль у поперечнику, поля часто розриваються та знову з’єднуються, викидаючи заряджені частинки з Сонця.

«Фотосфера вкрита конвекційними осередками, як у киплячій каструлі з водою, і більш масштабний конвекційний потік називається супергрануляцією», — сказав Бейл. «Там, де ці супергрануляційні клітини зустрічаються і йдуть вниз, вони затягують магнітне поле на своєму шляху в цю воронку вниз. Магнітне поле там стає дуже посиленим, тому що воно просто затиснуте. Це щось на кшталт черпака магнітного поля, що спускається в стік. . І просторове розділення цих маленьких стоків, цих лійок – це те, що ми бачимо зараз за даними сонячних зондів».

Ґрунтуючись на наявності частинок надзвичайно високої енергії, які виявила PSP — частинок, які рухаються в 10-100 разів швидше, ніж у середньому сонячний вітер, — дослідники дійшли висновку, що вітер може бути створений лише за допомогою цього процесу, який називається магнітним перез’єднанням. PSP було запущено в 2018 році, головним чином, для вирішення двох суперечливих пояснень походження частинок високої енергії, які складають сонячний вітер: магнітне перез’єднання або прискорення плазмою або хвилями Альвена.

«Великий висновок полягає в тому, що джерелом енергії швидкого сонячного вітру є магнітне перез’єднання всередині цих воронкоподібних структур», — сказав Бейл. «Вона надходить не просто звідусіль у корональній дірі, вона субструктурована всередині корональних дір до цих супергрануляційних клітин. Вона походить від цих маленьких пучків магнітної енергії, які пов’язані з конвекційними потоками. Наші результати, на нашу думку, є переконливими доказами що це робить повторне з’єднання».

Воронкові структури, ймовірно, відповідають яскравим струменям, які можна побачити з Землі всередині корональних дір, як нещодавно повідомив Нур Рауафі, співавтор дослідження та вчений проєкту Parker Solar Probe з Лабораторії прикладної фізики Університету Джонса Хопкінса. APL спроєктував, побудував, керує та експлуатує космічний корабель.

Поринає в сонце

До того часу, коли сонячний вітер досягає Землі, на відстані 93 мільйони миль від сонця, він перетворився на однорідний, турбулентний потік обертових магнітних полів, переплетених із зарядженими частинками, які взаємодіють із власним магнітним полем Землі та скидають електричну енергію у верхні шари атмосфери. Це збуджує атоми, створюючи барвисті полярні сяйва на полюсах, але має ефекти, які просочуються в атмосферу Землі. Прогнозування найсильніших вітрів, які називаються сонячними бурями, та їхніх навколоземних наслідків є однією з місій програми NASA «Жити з зіркою».

Зонд був розроблений, щоб визначити, як виглядає цей турбулентний вітер там, де він генерується біля поверхні сонця або фотосфери, і як заряджені частинки вітру — протони, електрони та важчі іони, насамперед ядра гелію — прискорюються, щоб уникнути впливу сонячної гравітації.

Для цього PSP повинна була підійти ближче ніж на 25-30 сонячних радіусів, тобто ближче ніж 13 мільйонів миль.

«Коли ви опускаєтесь нижче цієї висоти, 25 або 30 сонячних радіусів або близько того, сонячний вітер набагато менше розвивається, і він стає більш структурованим — ви бачите більше відбитків того, що було на сонці», — сказав Бейл.

У 2021 році інструменти PSP зафіксували перемикання магнітного поля в хвилях Альфвена, які, здавалося, були пов’язані з регіонами, де генерується сонячний вітер. Коли зонд досяг приблизно 12 сонячних радіусів від поверхні Сонця — 5,2 мільйона миль — дані вже зрозуміли, що зонд проходив крізь струмені матеріалу, а не через турбулентність. Бейл, Дрейк та їхні колеги відстежили ці струмені назад до осередків супергрануляції у фотосфері, де магнітні поля збираються та прямують до Сонця.

Але чи заряджені частинки прискорювалися в цих воронках за допомогою магнітного перез’єднання, яке викидало б частинки назовні, чи за допомогою хвиль гарячої плазми — іонізованих частинок і магнітного поля — що випливають із сонця, ніби вони пливуть хвилею?

Той факт, що PSP виявив у цих струменях частинки надзвичайно високої енергії — від десятків до сотень кілоелектронвольт (кеВ) проти кількох кеВ для більшості частинок сонячного вітру — підказав Бейлу, що саме магнітне перез’єднання прискорює частинки та генерує Хвилі Альвена, які, ймовірно, надають частинкам додатковий поштовх.

«Наша інтерпретація полягає в тому, що ці струмені відтоку повторного з’єднання збуджують хвилі Альфвена, коли вони поширюються», — сказав Бейл. «Це спостереження також добре відомо з хвоста магнітосфери Землі, де відбуваються подібні процеси. Я не розумію, як загасання хвиль може створювати ці гарячі частинки до сотень кеВ, тоді як це відбувається природним шляхом у процесі повторного з’єднання. І ми також бачимо це в наших симуляціях».

PSP не зможе наблизитися до Сонця ближче, ніж приблизно на 8,8 сонячних радіусів над поверхнею – приблизно 4 мільйони миль – без того, щоб підсмажити свої інструменти. Бейл сподівається підтвердити висновки команди даними з цієї висоти, хоча сонце зараз входить у сонячний максимум, коли активність стає набагато хаотичнішою і може затьмарювати процеси, які намагаються побачити вчені.

«На початку місії сонячного зонда був певний жах, що ми збираємося запустити цю штуку прямо в найтихішу, найнуднішу частину сонячного циклу», — сказав Бейл. «Але я думаю, що без цього ми б ніколи цього не зрозуміли. Це було б надто безладно. Я думаю, нам пощастило, що ми запустили його в сонячний мінімум».