Аппарат Solar Orbiter, предназначенный для исследования Солнца, еще не приступил к реализации запланированной программы, но уже сделал ряд интересных открытий. В прошлом году его инструменты зарегистрировали ранее неизвестный вид солнечных вспышек, получивших название «костерки». В настоящее время исследователи выдвинули объяснение механизма их возникновения, что также помогает разрешить одну из ключевых загадок Солнца — аномально высокую температуру его короны.
Изучение процессов, происходящих внутри звезд, остается сложной задачей, однако она имеет решающее значение для понимания законов, управляющих Вселенной. Ученые уже давно зафиксировали аномалии в температурах различных слоев Солнца. Так, его поверхность (фотосфера) имеет температуру, составляющую «всего» 4500-6000 градусов Цельсия, что значительно выше температуры конвективной зоны, расположенной глубже. Температура этой области постепенно возрастает от отмеченных для фотосферы значений до двух миллионов градусов по Цельсию, по мере продвижения вглубь Солнца.
Зона лучистого переноса находится еще на большей глубине, и ее температура также возрастает по мере приближения к ядру звезды — от двух миллионов до семи. Центральная часть Солнца, его ядро, нагревается термоядерными реакциями до невероятных 15 миллионов градусов (не имеет значения, Цельсия или Кельвина). Связь вполне ясна: глубина увеличивается, температура растет, следовательно, атмосфера звезды должна быть относительно прохладной. Однако, это не соответствует действительности: в хромосфере гипотетический градусник, изготовленный из адамантия, покажет 25 тысяч градусов, а в короне, простирающейся на миллионы километров вокруг Солнца, плазма вновь нагревается до миллиона градусов.
Корона звезды крайне разрежена, поэтому объект, попавший в нее, вероятнее всего, испарится не под воздействием плазмы, а за счет поглощения энергии излучения звезды. Однако, этот факт остается сложным для объяснения: что обеспечивает столь значительную энергию для вещества, улетающего от Солнца? На протяжении длительного времени выдвигались различные гипотезы, но до сих пор не удалось дать исчерпывающего ответа. Зато замечательный зонд Solar Orbiter, вероятно, сможет пролить свет на эти процессы.
«Костерки»
Через несколько месяцев после запуска ученые проанализировали первые полученные данные Solar Orbiter данные. Аппарат находился на значительном расстоянии от расчетной орбиты вокруг звезды, однако его инструменты уже функционировали — отчасти для калибровки и тестирования, отчасти для начала сбора полезных данных в кратчайшие сроки. Телескоп сделал ряд снимков Extreme Ultraviolet Imager (EUI) на борту зонда были зафиксированы крайне незначительные вспышки, если сравнивать их с космическими масштабами.
Плазма, формирующаяся на высоте от одной до пяти тысяч километров над видимой поверхностью звезды, получила название «костерки» ( campfires). Эти структуры имеют вытянутую форму, которая обусловлена магнитными полями, и их протяженность варьируется от 400 до четырех тысяч километров. Продолжительность таких вспышек обычно не превышает трех минут (200 секунд), однако иногда они длятся всего несколько десятков секунд.
Наиболее примечательным аспектом этих образований является температура плазмы, достигающая 1-1,6 миллиона градусов. На фоне общего излучения Солнца такие горячие (и, соответственно, яркие) вспышки кажутся почти незаметными, но они возникают регулярно. В первом наборе снимков с Solar Orbiter ученые насчитали полторы тысячи «костерков», а наблюдения с помощью EUI проводили всего несколько часов. Учитывая подозрительно знакомые цифры температуры, логично предположить, что именно эти небольшие солнечные вспышки могут объяснить нагрев плазмы в короне.
Моделирование, раскрывшее механизм
Данное утверждение нуждалось в подтверждении. Яцзе Чэнь ( Yajie Chen) из Пекинского университета и профессор Харди Петер ( Hardi Peter) из Института исследования Солнечной системы Общества Макса Планка использовали единственный доступный астрофизикам инструмент, пока не появятся новые данные с Solar Orbiter, — для изучения — моделирование. Совместное использование компьютерной симуляции для воспроизведения известных на текущий момент процессов, происходящих в фотосфере, позволило получить интересные результаты.
Модель принимала во внимание излучение звезды в фотосфере и различные конфигурации магнитных полей. В определенных ситуациях симуляция демонстрировала изображение, очень похожее на фактически наблюдаемые костерки. Чэнь и Петер, описывая свою работу, подчеркивают, что это лишь предварительное и осторожное предположение, которое необходимо будет неоднократно подтверждать. Тем не менее, даже сейчас предложенный механизм формирования представляется весьма убедительным и реалистичным.
В своем моделировании китайские и немецкие ученые предложили метод объединения магнитных линий ( component reconnection) в качестве ключевого фактора, вызывающего костерки, выступает магнитное пересоединение. Это явление хорошо известно: силовые линии магнитных полей, принадлежащих разным областям, перестраиваются и высвобождают энергию при встрече. Как правило, это происходит, когда пересекающиеся линии направлены друг к другу.
Костерки» формируются почти параллельными линиями магнитного поля, которые скручиваются в жгуты. Согласно результатам моделирования, высвобождающейся в ходе этого процесса энергии хватает для нагрева плазмы до отмеченных значений Solar Orbiter температур. А учитывая количество миниатюрных солнечных вспышек на поверхности звезды, и короны заодно.
Результаты работы представили и обсуждали на Генеральной ассамблее Европейского союза наук о Земле ( EGU). Две соответствующие научные публикации размещены в рецензируемом журнале Astronomy & Astrophysics. А Европейское космическое агентство (ЕКА) разработало детальный и визуально привлекательный рассказ о многообещающем открытии.
Проверка гипотез и большие надежды
Созданный ЕКА зонд Solar Orbiter должен начать основную миссию в ноябре этого года. Он запущен в феврале 2020-го и рассчитан не менее чем на семь лет активной работы. Каждые полгода аппарат будет совершать сближение с Солнцем на рекордно близкие расстояния.
После каждого такого маневра траектория движения зонда незначительно изменится, что позволит изучать новые участки звезды. На борту Solar Orbiter — десять научных приборов, предназначенных для измерения характеристик солнечной плазмы, высокоэнергетических частиц и магнитных полей. Также на борту размещены камеры с телескопами для наблюдения в оптическом, ультрафиолетовом и гамма-диапазонах электромагнитного спектра.
В течение следующего года результаты, достигнутые Чэнь и Петером, можно будет подтвердить. С этой целью ученые намерены сотрудничать с аппаратом NASA Solar Dynamics Observatory (SDO), расположенный на низкой околоземной орбите. Точное время этого события пока неизвестно, однако астрофизики ранее не имели доступа к столь подробным сведениям о Солнце.
Фактически каждый близкий пролет Solar Orbiter около звезды сулит ученым десятки открытий. А учитывая, что, помимо коллаборации с SDO, группа специалистов европейского зонда решила скоординировать свои наблюдения с другим, не менее мощным аппаратом — Parker Solar Probe, — впереди нас ждет множество захватывающих событий.