Астрофізики переосмислюють сонячні магнітні поля

Сонячні явища, такі як сонячні плями та спалахи, можуть бути результатом неглибокого магнітного поля, згідно з несподіваними новими відкриттями, які можуть допомогти вченим передбачити космічну погоду. Поверхня сонця засліплює сонячними плямами та спалахами, продуктами сонячного магнітного поля, створеного механізмом, відомим як динамо. Традиційно астрофізики вважали, що це магнітне поле утворилося глибоко всередині зірки. Однак дослідження Массачусетського технологічного інституту показує, що ці явища насправді можуть бути сформовані набагато дрібнішим процесом.

Опубліковані сьогодні (22 травня) в журналі Nature дослідження, проведені командами з Массачусетського технологічного інституту, Единбурзького університету та інших установ, показують, що нестабільність у зовнішніх шарах Сонця може бути причиною його магнітного поля.

Розробивши детальну модель поверхні Сонця та змоделювавши різні збурення плазмового потоку у верхніх 5-10 відсотках Сонця, дослідники виявили, що ці зміни поверхні можуть генерувати моделі магнітного поля, які дуже нагадують ті, які спостерігають астрономи. І навпаки, симуляції глибших шарів Сонця давали менш точні зображення сонячної активності.

Неглибокі магнітні поля

Отримані дані свідчать про те, що сонячні плями та спалахи можуть бути продуктом неглибокого магнітного поля, а не поля, яке виникає глибше на сонці, як в основному припускали вчені.

«Об’єкти, які ми бачимо, дивлячись на сонце, як-от корона, яку багато людей бачили під час нещодавнього сонячного затемнення, сонячні плями та сонячні спалахи, пов’язані з магнітним полем сонця», — каже автор дослідження Кітон Бернс, науковий співробітник у Факультет математики MIT. «Ми показуємо, що ізольовані збурення поблизу поверхні Сонця, далеко від глибших шарів, можуть зростати з часом, потенційно створюючи магнітні структури, які ми бачимо».

Якщо магнітне поле Сонця справді виникає з його зовнішніх шарів, це може дати вченим більше шансів прогнозувати спалахи та геомагнітні бурі, які можуть пошкодити супутники та телекомунікаційні системи.

«Ми знаємо, що динамо працює як гігантський годинник із багатьма складними взаємодіючими частинами», — каже співавтор Джеффрі Василь, дослідник Единбурзького університету. «Але ми не знаємо багатьох частин або того, як вони поєднуються. Ця нова ідея про те, як починається сонячне динамо, є важливою для її розуміння та прогнозування».

Серед співавторів дослідження також Даніель Лекоанет і Кайл Аугустсон з Північно-західного університету, Джеффрі Ойші з коледжу Бейтса, Бенджамін Браун і Кіт Джулієн з Університету Колорадо в Боулдері та Ніколас Браммелл з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі.

Динаміка зони конвекції

Сонце — це розпечена до білого куля плазми, яка кипить на його поверхні. Ця область кипіння називається «конвекційною зоною», де шари та шлейфи плазми обертаються та течуть. Зона конвекції охоплює верхню третину радіуса Сонця і тягнеться приблизно на 200 000 кілометрів під поверхнею.

«Одна з основних ідей щодо того, як запустити динамо-машину, полягає в тому, що вам потрібна область, де багато плазми рухається повз іншу плазму, і що зсувний рух перетворює кінетичну енергію в магнітну», — пояснює Бернс. «Люди думали, що магнітне поле Сонця створюється рухами в самій нижній частині конвекційної зони».

Щоб визначити, де саме бере початок магнітне поле Сонця, інші вчені використовували великі тривимірні симуляції, щоб спробувати визначити потік плазми в багатьох шарах внутрішньої частини Сонця. «Ці симуляції вимагають мільйонів годин на національних суперкомп’ютерах, але те, що вони виробляють, все ще далеко не таке турбулентне, як справжнє сонце», – каже Бернс.

Замість того, щоб симулювати складний потік плазми по всьому тілу Сонця, Бернс і його колеги задавалися питанням, чи може бути достатньо вивчення стабільності потоку плазми біля поверхні, щоб пояснити походження процесу динамо.

Щоб дослідити цю ідею, команда спочатку використала дані з галузі «геліосейсмології», де вчені використовують спостережувані коливання на поверхні Сонця для визначення середньої структури та потоку плазми під поверхнею.

«Якщо ви знімете на відео барабан і подивіться, як він вібрує в уповільненому режимі, ви зможете визначити форму та жорсткість головки барабана за режимами вібрації», — каже Бернс. «Так само ми можемо використовувати вібрації, які ми бачимо на сонячній поверхні, щоб зробити висновок про середню структуру всередині».

Сонячна цибуля

Для свого нового дослідження дослідники зібрали моделі будови Сонця з геліосейсмічних спостережень. «Ці середні потоки виглядають як цибуля, де різні шари плазми обертаються один повз одного», — пояснює Бернс. «Тоді ми запитуємо: чи існують збурення або крихітні зміни в потоці плазми, які ми могли б накласти на цю середню структуру, яка може зростати, спричиняючи магнітне поле Сонця?»

Щоб знайти такі шаблони, команда використала проект Dedalus — чисельну структуру, розроблену Бернсом, яка може симулювати багато типів потоків рідини з високою точністю. Код було застосовано до широкого кола проблем, від моделювання динаміки всередині окремих клітин до циркуляції океану та атмосфери.

«Мої співробітники роками думали над проблемою сонячного магнетизму, і тепер можливості Dedalus досягли точки, коли ми могли її вирішити», — каже Бернс.

Команда розробила алгоритми, які вони включили в Dedalus, щоб знайти самопідсилювальні зміни в середніх потоках поверхні Сонця. Алгоритм виявив нові закономірності, які можуть рости та призводити до реалістичної сонячної активності. Зокрема, команда виявила закономірності, які збігаються з розташуванням і часовими шкалами сонячних плям, які спостерігали астрономи з часів Галілея в 1612 році.

Сонячні плями — це тимчасові елементи на поверхні Сонця, які, як вважають, утворені магнітним полем Сонця. Ці відносно більш прохолодні області виглядають як темні плями по відношенню до решти розпеченої до білого поверхні сонця. Астрономи давно помітили, що сонячні плями виникають циклічно, збільшуючись і зникаючи кожні 11 років, і зазвичай тяжіючи навколо екватора, а не біля полюсів.

Під час моделювання, проведеного командою, вони виявили, що певних змін у потоці плазми лише у верхніх 5–10 відсотках поверхневих шарів Сонця було достатньо для створення магнітних структур у тих самих областях. Навпаки, зміни в більш глибоких шарах створюють менш реалістичні сонячні поля, які зосереджені біля полюсів, а не біля екватора.

Команда була мотивована ближче розглянути моделі потоків біля поверхні, оскільки умови там нагадували нестабільні потоки плазми в зовсім інших системах: акреційні диски навколо чорних дір. Акреційні диски — це масивні диски газу та зоряного пилу, які обертаються в напрямку чорної діри під впливом «магніторотаційної нестабільності», яка створює турбулентність у потоці та спричиняє його падіння всередину.

Бернс і його колеги підозрювали, що подібне явище має місце і на сонці, і що магніторотаційна нестабільність у найвіддаленіших шарах сонця може бути першим кроком у створенні магнітного поля сонця.

Суперечливі висновки та триваючі дослідження

«Я думаю, що цей результат може бути суперечливим», — наважується він. «Більшість спільноти була зосереджена на пошуку динамо-мобіля глибоко під сонцем. Тепер ми показуємо, що існує інший механізм, який, здається, краще відповідає спостереженням». Бернс каже, що команда продовжує вивчати, чи можуть нові моделі поверхневих полів генерувати окремі сонячні плями та повний 11-річний сонячний цикл.