Наше Солнце является наиболее изучаемой звездой во всей Вселенной. Мы видим его каждый день. На протяжении веков ученые отслеживали темные пятна, пятнающие его сияющее лицо, а в последние десятилетия телескопы в космосе и на Земле тщательно исследовали солнечные лучи в длинах волн, охватывающих электромагнитный спектр. Эксперименты также исследовали атмосферу Солнца, собирали потоки солнечного ветра, собирали солнечные нейтрины и высокоэнергетические частицы, картографировали магнитное поле нашей звезды.
Несмотря на это внимание, один важный вопрос оставался непонятным. На Солнце температура составляет около 6000 градусов Цельсия. Но внешние слои его атмосферы, известные как корона, могут быть на миллион градусов горячее — и это удивляет.
Вы могли увидеть этот раскаленный газ во время полного солнечного затмения, как это произошло 8 апреля над частью Северной Америки. Если вы были на пути полного затмения, вы могли увидеть корону как сияющий ореол вокруг затемненного луной Солнца.
В этом году этот ореол выглядел иначе, чем появившийся во время последнего затмения в Северной Америке в 2017 году. Солнце сейчас более активно, и вы смотрели на структуру, которую мы, ученые, изучающие наше Солнце, наконец-то поняли. Наблюдения за Солнцем с расстояния было недостаточно для того, чтобы понять, что нагревает корону. Чтобы разгадать эту и другие тайны, нам нужен был космический зонд, подлетящий к Солнцу.
Этот космический аппарат – Parker Solar Probe NASA – был запущен в 2018 году. Вращаясь вокруг Солнца, он погружается в солнечную корону и выходит из нее, собирая данные, показывающие нам, как магнитная активность малых масштабов в солнечной атмосфере делает солнечную корону почти невероятно горячей.
От поверхности до оболочки
Чтобы начать понимать горячую корону, нам нужно рассмотреть магнитные поля.
Магнитный двигатель Солнца, известный как солнечное динамо, находится примерно в 200 000 километрах под поверхностью Солнца. Когда он вращается, этот двигатель влечет за собой солнечную активность, которая меняется с периодичностью примерно 11 лет. Когда Солнце активнее, солнечные вспышки, солнечные пятна и вспышки увеличиваются по интенсивности и частоте (как сейчас, приближаясь к солнечному максимуму).
На поверхности Солнца магнитные поля накапливаются в пределах конвективных клеток, известных как суперграни, которые выглядят как пузырьки в кастрюле с кипящим маслом на плите. Постоянно кипящая поверхность Солнца концентрирует и усиливает эти магнитные поля в пределах клеток. Эти усиленные поля затем запускают транзиторные струи и наносы вспышки, взаимодействуя с солнечной плазмой.
Эти конвективные клетки на Солнце, каждая примерно размером со штат Техас, тесно связаны с магнитной активностью, нагревающей корону Солнца.
Магнитные поля могут прорываться через поверхность Солнца и образовывать явления больших масштабов. В регионах с сильным магнитным полем видны темные солнечные пятна и гигантские магнитные дуги. В большинстве мест, особенно в нижней солнечной короне и у солнечных пятен, эти магнитные дуги «заперты», оба конца прикреплены к Солнцу. Эти замкнутые дуги бывают разных размеров – от маленьких до драматических, горящих дуг, которые можно увидеть во время затмений.
В других местах такие дуги разрываются. Светящаяся корона Солнца является источником сверхзвукового солнечного ветра — потоков заряженных частиц, которые формируют огромный защитный пузырь вокруг солнечной системы, простирающийся далеко за пределы известных планет. Эти частицы переносят магнитные поля с собой, иногда вплоть до глубокого космоса. Когда это происходит, магнитная дуга простирается до предела гелиосферы, образуя так называемое «открытое» магнитное поле.
Мы знали, что эти магнитные процессы должны работать вместе, чтобы нагревать корону — но как?
В годы ученые предлагали много объяснений для сверхгорячей короны. Некоторые из них рассматривали солнечную атмосферу как жидкость, объясняя передачу тепла так, как это происходит в жидкости через хаотические, турбулентные каскады, которые переносят тепло из больших резервуаров в меньшие карманы. Другие предполагали, что магнитные волны, возникающие на Солнце, постоянно колеблются и выбрасывают тепло в атмосферу, или что, на уровне частиц, действует определенная кинетическая нестабильность.
В 1988 году Юджин Паркер, астрофизик из Чикагского Университета, утверждал, что конвекция на поверхности Солнца — эти бурления клетки — может запутывать магнитные поля, простирающиеся в корону, накапливая и сохраняя магнитную энергию в солнечной атмосфере. Когда эти магнитные линии неизбежно разрываются и снова соединяются, сказал он, сохраненная магнитная энергия передается в солнечную атмосферу. Там энергия нагревает атмосферу до высоких температур, что приводит к наспышкам. (Паркер также отвечал за гипотезу с 1958 года, предполагавшую, что перегретая корона является источником солнечного ветра. Хотя сначала его идея была высмеяна, она оказалась правильной и стала фундаментальной для области гелиофизики.)
Идея Паркера имела смысл, но у нас не было достаточно данных, чтобы проверить или опровергнуть какие-либо из объяснений, включая его. Способы, которыми мы изучали Солнце, просто не были достаточны для решения этой задачи.
Новая надежда
Возвратный момент наступил в 2005 году, когда сотни солнечных ученых собрались в Уистлере, Британская Колумбия. Я был главой этой встречи, которую я сознательно взял на себя, пытаясь объединить часто разрозненные подходы общин, изучающих Солнце и солнечный ветер.
К тому времени сообщество солнечных исследователей преимущественно сосредотачивалось на отдаленных наблюдениях за Солнцем, которые осуществлялись наземными телескопами,
кетами или спутниками, такими как SOHO, миссия, руководимая Европейским космическим агентством (ESA), которая недавно была запущена и все еще работает. Сообщество, изучающее солнечный ветер, занималось сбором и анализом образцов расширенной короны с помощью спутников, таких как NASA’s Advanced Composition Explorer и Ulysses, совместной миссии ESA/NASA, пролетевшей над полюсами Солнца. Наша цель на этой конференции заключалась в том, чтобы объединить результаты новых обсерваторий и решить тайну горячей короны и того, как она ускоряла солнечный ветер.
К настоящему моменту мы знали, что солнечная магнитность ведет себя непредсказуемо. Данные SOHO показали, что глобально солнечное магнитное поле было гораздо более вариативно, чем мы представляли. И частицы солнечного ветра, измеренные вблизи Земли, имели странные композиционные паттерны, не имевшие смысла, если ветер выходил непосредственно с Солнца, как предполагалось. Казалось, что какая-то магнитная активность в солнечной атмосфере влечет этот ветер — и тепло короны — но у нас не было моделей, чтобы объяснить, как это работает.
Обсуждения на встрече были длинными и интенсивными, но они заложили основу для ключевого решения: было абсолютной необходимостью делать наблюдение ближе к Солнцу с помощью миссии, условно названной Solar Probe. Модель этого космического аппарата – зонда, который мог бы выдержать жесткие условия близко к Солнцу – стояла на переднем плане зала заседаний, и после четырех десятилетий размышлений мы собирались сделать это реальностью. В 2017 году, вскоре после того, как я присоединился к NASA как руководитель научного отдела, агентство переименовало миссию в честь Юджина Паркера по моей рекомендации. Теперь это был Parker Solar Probe.
Касаясь Солнца
Юджин Паркер наблюдал, как Parker Solar Probe стартовал с мыса Канаверал в 2018 году и поднимался в небо на ракете Delta IV Heavy. После запуска он поблагодарил меня за честь иметь свое имя на этом космическом аппарате и добавил, в редкий момент прямоты, что он только желал, чтобы некоторые из негодяев — коллег, которые высмеивали его идеи и почти разрушили его карьеру — были еще живы, чтобы увидеть это.
Космический аппарат использовал пролеты Венеры, чтобы постепенно приближаться к Солнцу, и 28 апреля 2021 он впервые коснулся короны. Теперь это был ближайший космический аппарат к нашей звезде и самый быстрый объект, созданный когда-либо запущенным человеком. (Фактически, в марте он пролетел мимо Солнца в 18-й раз со скоростью, которая позволила бы вам добраться из Вашингтона, округ Колумбия, в Лос-Анджелес примерно за 20 секунд, а с Земли до Луны — за 36 минут.)
Как и ожидалось, наблюдения космического аппарата вблизи Солнца были новаторскими для понимания нагрева короны. Наблюдения решили проблему, расшифровывая магнитные подписи в очень близком к Солнцу солнечном ветре – ключ к пониманию того, как работает корональная печь.
Вблизи Земли солнечный ветер смотрится как турбулентная жидкость, которая лишь на огромных масштабах слабо связана с Солнцем. Но вблизи его структура непосредственно отражает структуры на поверхности Солнца. Вместо дезорганизованной жидкости, солнечная плазма вблизи Солнца выплескивается в виде ручейков, часто соответствующих размерам конвективных суперграни на поверхности Солнца — клеток, вокруг которых концентрируются, усиливаются и выходят магнитные поля в корону.
Во время каждой орбиты вокруг Солнца космический аппарат пролетал через эти ручейки и находил характерный отпечаток магнитной активности, которая пронизывала плазму и указывала на источник тепла короны. Этот отпечаток называется «обратными изгибами» и представляет собой S-образные структуры, образованные кратковременными изменениями в местном магнитном поле. Такие обратные изгибы образуются (по крайней мере, по мнению большинства ученых), когда замкнутые магнитные дуги сталкиваются с открытыми магнитными дугами и соединяются с ними во время события пересоединения. Как и с хорошим шампанским в бутылке, единственный способ высвободить энергию и плазму из запутанной замкнутой магнитной дуги — откупорить ее, разорвав и пересоединив с открытой магнитной линией. Эти события пересоединения генерируют тепло и выбрасывают солнечный материал в космос, таким образом, нагревая корону и ускоряя частицы в солнечном ветре.
Хотя некоторые ученые все еще не совсем убеждены, что проблема решена, отрасль теперь исходит из вывода, что объяснение Паркера 1988 года было правильным. Нагрев короны в конечном счете зависит от магнитных полей на малых масштабах. Конвективные гранулы на Солнце концентрируют магнитные поля на своих границах и запускают цепь событий, которая из-за дальнейших магнитных взаимодействий в атмосфере приводит к сверхзвуковому солнечному ветру и миллионным температурам, которые мы видим.
Позже в этом году Parker Solar Probe побьет свой рекорд и подлетит еще ближе к Солнцу. Еще одно путешествие в ад и обратно в поисках ответов на выдающиеся солнечные тайны.
