Місія Solar Orbiter розкрила таємницю «повільного» сонячного вітру

Вчені підійшли на крок ближче до визначення таємничого походження «повільного» сонячного вітру, використовуючи дані, зібрані під час першої близької подорожі космічного корабля Solar Orbiter до Сонця. Сонячний вітер, який може рухатися зі швидкістю сотні кілометрів на секунду, роками захоплював вчених, і нове дослідження, опубліковане в Nature Astronomy, нарешті проливає світло на те, як він утворюється.

Сонячний вітер описує безперервний потік заряджених частинок плазми від Сонця до космосу — швидкість вітру понад 500 км на секунду відома як «швидка», а швидкість менше 500 км на секунду — як «повільна».

Коли цей вітер торкається атмосфери Землі, він може призвести до приголомшливого полярного сяйва, яке ми знаємо як північне сяйво. Але коли викидається більша кількість плазми у вигляді викиду корональної маси, це також може бути небезпечним, завдаючи значної шкоди супутникам і системам зв’язку. Незважаючи на десятиліття спостережень, джерела та механізми, які вивільняють, прискорюють і транспортують плазму сонячного вітру від Сонця до нашої Сонячної системи, недостатньо вивчені, особливо повільний сонячний вітер.

У 2020 році Європейське космічне агентство (ESA) за підтримки NASA запустило місію Solar Orbiter. Окрім отримання найближчих і найдетальніших зображень сонця, однією з головних цілей місії є вимірювання та зв’язування сонячного вітру з місцем його походження на поверхні Сонця.

Описаний як «найскладніша наукова лабораторія, яку будь-коли відправляли на Сонце», на борту Solar Orbiter є десять різних наукових інструментів — деякі з них на місці збирають і аналізують зразки сонячного вітру, коли він проходить повз космічний корабель, а також інші засоби дистанційного зондування. інструменти, призначені для отримання високоякісних зображень активності на поверхні Сонця.

Об’єднавши фотографічні та інструментальні дані, вчені вперше змогли більш чітко визначити, де бере початок повільний сонячний вітер. Це допомогло їм встановити, як воно може покинути сонце та почати свою подорож у геліосферу — гігантську бульбашку навколо сонця та його планет, яка захищає нашу сонячну систему від міжзоряного випромінювання.

Доктор Стеф Ярдлі з Університету Нортумбрії, Ньюкасл-апон-Тайн, очолив дослідження та пояснює: «Змінність потоків сонячного вітру, виміряна на місці на космічному кораблі поблизу сонця, дає нам багато інформації про їх джерела, і хоча попередні дослідження простежили походження сонячного вітру, це було зроблено набагато ближче до Землі, до того часу ця мінливість втрачена.

«Оскільки Solar Orbiter рухається так близько до сонця, ми можемо вловити складну природу сонячного вітру, щоб отримати набагато чіткішу картину його походження та того, як ця складність обумовлена ​​змінами в різних регіонах джерела».

Вважається, що різниця між швидкою та повільною швидкістю сонячного вітру пов’язана з різними областями сонячної корони, зовнішнього шару його атмосфери, звідки вони походять.грати Відкрита корона відноситься до регіонів, де лінії магнітного поля прив’язані до сонця лише одним кінцем, а іншим тягнуться в космос, створюючи магістраль для виходу сонячного матеріалу в космос. Ці райони прохолодніші і, як вважають, є джерелом швидкого сонячного вітру.

Тим часом закрита корона відноситься до областей Сонця, де його лінії магнітного поля замкнуті, тобто вони з’єднані з сонячною поверхнею обома кінцями. Їх можна побачити як великі яскраві петлі, які утворюються над магнітно-активними областями.

Іноді ці замкнуті магнітні петлі розриваються, забезпечуючи короткочасну можливість для сонячного матеріалу вийти, так само як це відбувається через відкриті лінії магнітного поля, перш ніж повторно з’єднатися та знову утворити замкнутий контур. Зазвичай це відбувається в місцях зустрічі відкритої та закритої корони.

Однією з цілей Solar Orbiter є перевірка теорії про те, що повільний сонячний вітер походить із замкнутої корони та може виходити в космос через цей процес розриву та повторного з’єднання ліній магнітного поля. Один із способів, за допомогою якого наукова група змогла перевірити цю теорію, полягав у вимірюванні «складу» або складу потоків сонячного вітру.

Комбінація важких іонів, що містяться в сонячному матеріалі, відрізняється залежно від того, звідки він походить; більш гаряча закрита корона проти холоднішої відкритої корони. Використовуючи інструменти на борту Solar Orbiter, команда змогла проаналізувати активність, що відбувається на поверхні Сонця, а потім зіставити це з потоками сонячного вітру, зібраними космічним кораблем.

Використовуючи зображення поверхні сонця, зроблені Solar Orbiter, вони змогли точно визначити, що повільні потоки вітру надходять із зони, де стикаються відкрита та закрита корони, підтверджуючи теорію про те, що повільний вітер може виходити із замкнутих силових ліній магнітного поля. через процес розриву та повторного підключення.

Як пояснює доктор Ярдлі з дослідницької групи сонячної та космічної фізики Університету Нортумбрії: «Змінний склад сонячного вітру, виміряний на Solar Orbiter, узгоджувався зі зміною складу в джерелах у короні.

«Зміни в складі важких іонів разом з електронами є переконливими доказами того, що мінливість не тільки зумовлена ​​різними областями джерела, але й процесами повторного з’єднання, що відбуваються між замкнутими та відкритими контурами в короні».

Місія ESA Solar Orbiter — це міжнародне співробітництво, в якому науковці та установи з усього світу працюють разом, надаючи спеціальні навички та обладнання.

Даніель Мюллер, науковий співробітник ESA проекту Solar Orbiter, сказав: «З самого початку головною метою місії Solar Orbiter було пов’язати динамічні події на Сонці з їхнім впливом на навколишній плазмовий міхур геліосфери.

«Щоб досягти цього, нам потрібно поєднати дистанційні спостереження сонця з вимірюваннями сонячного вітру на місці, коли він протікає повз космічний корабель. Я надзвичайно пишаюся усією командою за успішне проведення цих складних вимірювань.

«Цей результат підтверджує, що Solar Orbiter здатний встановлювати надійні зв’язки між сонячним вітром і його джерелами на сонячній поверхні. Це було ключовою метою місії та відкриває нам шлях до безпрецедентного детального вивчення походження сонячного вітру. «

Серед інструментів на борту Solar Orbiter є датчик важких іонів (HIS), частково розроблений дослідниками та інженерами з Науково-дослідницької лабораторії космічної фізики Університету Мічігану у відділі кліматичних і космічних наук та техніки. Датчик був розроблений для вимірювання важких іонів у сонячному вітрі, за допомогою яких можна визначити, звідки прийшов сонячний вітер.

«Кожна область Сонця може мати унікальну комбінацію важких іонів, яка визначає хімічний склад потоку сонячного вітру.

«Оскільки хімічний склад сонячного вітру залишається постійним, коли він поширюється в сонячну систему, ми можемо використовувати ці іони як відбиток, щоб визначити походження певного потоку сонячного вітру в нижній частині атмосфери Сонця», сказала Сьюзан Лепрі, професор кліматичних і космічних наук та інженерії в Університеті Мічигану та заступник головного дослідника датчика важких іонів.

Електрони в сонячному вітрі вимірюються за допомогою системи електронного аналізатора (Electron Analyzer System, EAS), розробленої Лабораторією космічної науки Малларда UCL, де доктор Ярдлі є почесним співробітником.

Професор Крістофер Оуен з UCL сказав: «Групи інструментів витратили більше десяти років на проектування, створення та підготовку своїх датчиків до запуску, а також на планування того, як найкраще їх узгоджено використовувати. Тому дуже приємно бачити зараз дані об’єднуються, щоб виявити, які регіони сонця спричиняють повільний сонячний вітер та його мінливість».

Датчик Proton-Alpha (PAS), який вимірює швидкість вітру, був розроблений і розроблений Інститутом досліджень астрофізики та планетології університету Поля Сабатьє в Тулузі, Франція. Разом ці прилади складають набір датчиків Solar Wind Analyzer на борту Solar Orbiter, головним дослідником якого є професор Оуен з UCL.

Говорячи про плани майбутніх досліджень, д-р Ярдлі сказав: «Поки що ми аналізували дані Solar Orbiter лише для цього конкретного інтервалу. Буде дуже цікаво подивитися на інші випадки використання Solar Orbiter, а також провести порівняння з набори даних інших близьких місій, таких як сонячний зонд NASA Parker».