Наше Сонце є найбільш досліджуваною зіркою у всьому Всесвіті. Ми бачимо його кожен день. Протягом століть вчені відстежували темні плями, які плямують його сяюче обличчя, а в останні десятиліття телескопи в космосі та на Землі ретельно досліджували сонячні промені в довжинах хвиль, що охоплюють електромагнітний спектр. Експерименти також досліджували атмосферу Сонця, збирали потоки сонячного вітру, збирали сонячні нейтрини та високоенергетичні частинки, а також картографували магнітне поле нашої зірки.
Незважаючи на всю цю увагу, одне важливе питання залишалося незрозумілим. На поверхні Сонця температура становить близько 6000 градусів Цельсія. Але зовнішні шари його атмосфери, відомі як корона, можуть бути на мільйон градусів гарячішими — і це дивує.
Ви могли побачити цей розпечений газ під час повного сонячного затемнення, як це сталося 8 квітня над частиною Північної Америки. Якщо ви були на шляху повного затемнення, ви могли побачити корону як сяючий ореол навколо затемненого місяцем Сонця.
Цього року цей ореол виглядав інакше, ніж той, що з’явився під час останнього затемнення в Північній Америці в 2017 році. Сонце зараз більш активне, і ви дивилися на структуру, яку ми — вчені, що вивчають наше Сонце — нарешті зрозуміли. Спостереження за Сонцем з відстані було недостатньо для того, щоб зрозуміти, що нагріває корону. Щоб розгадати цю та інші таємниці, нам потрібен був космічний зонд, який підлетить до Сонця.
Цей космічний апарат — Parker Solar Probe NASA — був запущений у 2018 році. Обертаючись навколо Сонця, він занурюється в сонячну корону і виходить з неї, збираючи дані, які показують нам, як магнітна активність малих масштабів у сонячній атмосфері робить сонячну корону майже неймовірно гарячою.
Від поверхні до оболонки
Щоб почати розуміти цю гарячу корону, нам потрібно розглянути магнітні поля.
Магнітний двигун Сонця, відомий як сонячне динамо, знаходиться приблизно за 200 000 кілометрів під поверхнею Сонця. Коли він обертається, цей двигун спричиняє сонячну активність, яка змінюється з періодичністю приблизно 11 років. Коли Сонце більш активне, сонячні спалахи, сонячні плями та спалахи збільшуються за інтенсивністю та частотою (як зараз, наближаючись до сонячного максимуму).
На поверхні Сонця магнітні поля накопичуються на межах конвективних клітин, відомих як суперграні, які виглядають як бульбашки в каструлі з киплячою олією на плиті. Постійно кипляча поверхня Сонця концентрує та посилює ці магнітні поля на межах клітин. Ці посилені поля потім запускають транзиторні струмені та наноспалахи, взаємодіючи з сонячною плазмою.
Ці конвективні клітини на поверхні Сонця, кожна приблизно розміром зі штат Техас, тісно пов’язані з магнітною активністю, що нагріває корону Сонця.
Магнітні поля також можуть прориватися через поверхню Сонця та утворювати явища більших масштабів. У регіонах зі сильним магнітним полем ви бачите темні сонячні плями та гігантські магнітні дуги. У більшості місць, особливо в нижній сонячній короні та біля сонячних плям, ці магнітні дуги «замкнуті», обидва кінці прикріплені до Сонця. Ці замкнуті дуги бувають різних розмірів — від маленьких до драматичних, палаючих дуг, які можна побачити під час затемнень.
В інших місцях такі дуги розриваються. Сіяюча корона Сонця є джерелом надзвукового сонячного вітру — потоків заряджених частинок, які формують величезну захисну бульбашку навколо сонячної системи, що простягається далеко за межі відомих планет. Ці частинки переносять магнітні поля з собою, іноді аж до глибокого космосу. Коли це відбувається, магнітна дуга простягається до краю геліосфери, утворюючи так зване «відкрите» магнітне поле.
Ми знали, що якось ці магнітні процеси повинні працювати разом, щоб нагрівати корону — але як?
Протягом років вчені пропонували багато пояснень для надгарячої корони. Деякі з них розглядали сонячну атмосферу як рідину, пояснюючи передачу тепла так, як це відбувається в рідині — через хаотичні, турбулентні каскади, що переносять тепло з великих резервуарів у менші кишені. Інші припускали, що магнітні хвилі, які виникають на поверхні Сонця, постійно коливаються та викидають тепло в атмосферу, або що, на рівні частинок, діє певна кінетична нестабільність.
У 1988 році Юджин Паркер, астрофізик з Університету Чикаго, стверджував, що конвекція на поверхні Сонця — ці бурління клітини — може заплутувати магнітні поля, які простягаються в корону, накопичуючи та зберігаючи магнітну енергію в сонячній атмосфері. Коли ці магнітні лінії неминуче розриваються та з’єднуються знову, сказав він, збережена магнітна енергія передається в сонячну атмосферу. Там енергія нагріває атмосферу до високих температур, що призводить до наноспалахів. (Паркер також відповідав за гіпотезу з 1958 року, яка припускала, що перегріта корона є джерелом сонячного вітру. Хоча спочатку його ідея була висміяна, вона виявилася правильною і стала фундаментальною для галузі геліофізики.)
Ідея Паркера мала сенс, але ми не мали достатньо даних, щоб перевірити чи спростувати будь-які з пояснень, включаючи його. Способи, якими ми вивчали Сонце, просто не були достатніми для вирішення цієї задачі.
Нова надія
Поворотний момент настав у 2005 році, коли сотні сонячних вчених зібралися в Вістлері, Британська Колумбія. Я був головою цієї зустрічі, яку я свідомо взяв на себе, намагаючись об’єднати часто розрізнені підходи спільнот, що вивчають Сонце та сонячний вітер.
До того часу спільнота сонячних дослідників переважно зосереджувалася на віддалених спостереженнях за Сонцем, які здійснювалися наземними телескопами, ра
кетами або супутниками, такими як SOHO, місія, що керується Європейським космічним агентством (ESA), яка нещодавно була запущена і все ще працює. Спільнота, що вивчає сонячний вітер, натомість займалася збором та аналізом зразків розширеної корони за допомогою супутників, таких як NASA’s Advanced Composition Explorer та Ulysses, спільної місії ESA/NASA, яка пролетіла над полюсами Сонця. Наша мета на цій конференції полягала в тому, щоб об’єднати результати цих нових обсерваторій та вирішити таємницю гарячої корони та того, як вона прискорювала сонячний вітер.
На цей момент ми знали, що сонячна магнітність поводиться непередбачувано. Дані SOHO показали, що глобально сонячне магнітне поле було набагато варіативніше, ніж ми уявляли. І частинки сонячного вітру, виміряні поблизу Землі, мали дивні композиційні патерни, які не мали сенсу, якщо вітер виходив безпосередньо з поверхні Сонця, як передбачалося. Здавалося, що якась магнітна активність в сонячній атмосфері спричиняє цей вітер — і тепло корони — але ми не мали моделей, щоб пояснити, як це працює.
Обговорення на зустрічі були довгими та інтенсивними, але вони заклали основу для ключового рішення: було абсолютною необхідністю робити спостереження ближче до Сонця за допомогою місії, умовно названої Solar Probe. Модель цього космічного апарату — зонда, який міг би витримати жорсткі умови близько до Сонця — стояла на передньому плані зали засідань, і після чотирьох десятиліть роздумів ми збиралися зробити це реальністю. У 2017 році, незабаром після того, як я приєднався до NASA як керівник наукового відділу, агентство перейменувало місію на честь Юджина Паркера за моєю рекомендацією. Тепер це був Parker Solar Probe.
Торкаючись Сонця
Юджин Паркер спостерігав, як Parker Solar Probe стартував з мису Канаверал у 2018 році і піднімався в небо на ракеті Delta IV Heavy. Після запуску він подякував мені за честь мати своє ім’я на цьому космічному апараті та додав, у рідкісний момент прямоти, що він лише бажав, щоб деякі з тих негідників — колег, які висміювали його ідеї та майже зруйнували його кар’єру — були ще живі, щоб побачити це.
Космічний апарат використовував прольоти Венери, щоб поступово наближатися до Сонця, і 28 квітня 2021 року він вперше торкнувся корони. Тепер це був найближчий космічний апарат до нашої зірки та найшвидший об’єкт, створений людиною, який коли-небудь був запущений. (Фактично, у березні він пролетів повз Сонце в 18-й раз зі швидкістю, яка дозволила б вам дістатися з Вашингтона, округ Колумбія, до Лос-Анджелеса приблизно за 20 секунд, а з Землі до Місяця — за 36 хвилин.)
Як і очікувалося, спостереження космічного апарату поблизу Сонця були новаторськими для нашого розуміння нагрівання корони. Спостереження вирішили проблему, розшифровуючи магнітні підписи в дуже близькому до Сонця сонячному вітрі — ключ до розуміння того, як працює корональна піч.
Поблизу Землі сонячний вітер виглядає як турбулентна рідина, яка лише на великих масштабах слабо пов’язана з Сонцем. Але зблизька його структура безпосередньо відображає структури на поверхні Сонця. Замість дезорганізованої рідини, сонячна плазма поблизу Сонця вихлюпується у вигляді струмочків, які часто відповідають розмірам конвективних суперграні на поверхні Сонця — клітин, навколо яких концентруються, посилюються та виходять магнітні поля в корону.
Під час кожної орбіти навколо Сонця космічний апарат пролітав через ці струмочки і знаходив характерний відбиток магнітної активності, яка пронизувала плазму і вказувала на джерело тепла корони. Цей відбиток називається “зворотними вигинами” і є S-подібними структурами, утвореними короткочасними змінами в місцевому магнітному полі. Такі зворотні вигини утворюються (принаймні, за думкою більшості вчених), коли замкнуті магнітні дуги стикаються з відкритими магнітними дугами і з’єднуються з ними під час події перез’єднання. Як і з добрим шампанським у пляшці, єдиний спосіб вивільнити енергію та плазму із заплутаної замкнутої магнітної дуги — це відкоркувати її, розірвавши та перез’єднавши з відкритою магнітною лінією. Ці події перез’єднання генерують тепло та викидають сонячний матеріал у космос, таким чином нагріваючи корону та прискорюючи частинки в сонячному вітрі.
Хоча деякі вчені все ще не зовсім переконані, що проблема вирішена, галузь тепер сходиться на висновку, що пояснення Паркера 1988 року було правильним. Нагрівання корони в кінцевому підсумку залежить від магнітних полів на малих масштабах. Конвективні гранули на поверхні Сонця концентрують магнітні поля на своїх межах і запускають ланцюг подій, який через подальші магнітні взаємодії в атмосфері призводить до надзвукового сонячного вітру та мільйонних температур, які ми бачимо.
Пізніше цього року Parker Solar Probe поб’є власний рекорд і підлетить ще ближче до Сонця. Ще одна подорож до пекла і назад у пошуках відповідей на видатні сонячні таємниці.
