Солнечный ветер, который может двигаться со скоростью сотни километров в секунду, уже много лет очаровывает ученых. Новое исследование наконец проливает свет на то, как он формируется, пишет Phys.org.
Солнечный ветер описывает непрерывный поток заряженных частиц плазмы, устремляющийся от Солнца в космос. При этом ветер, движущийся со скоростью более 500 км в секунду, называют «быстрым», а менее 500 км в секунду — «медленным». Когда этот ветер достигает атмосферы Земли, появляются потрясающие полярные сияния. Он несет не только красоту, но и опасность: слишком мощные потоки могут нанести значительный ущерб спутникам и системам связи человечества.
Несмотря на десятилетия наблюдений, источники и механизмы, которые высвобождают, ускоряют и транспортируют плазму солнечного ветра, недостаточно изучены. Особенно много тайн хранит «медленный» солнечный ветер.
В 2020 году Европейское космическое агентство (ЕКА) при поддержке НАСА запустило миссию Solar Orbiter. Помимо получения самых близких и подробных изображений Солнца, одна из основных целей миссии — измерить и связать солнечный ветер с определенной областью его происхождения на поверхности Солнца.
На борту Solar Orbiter, описанной как «самая сложная научная лаборатория, когда-либо отправлявшаяся на Солнце», есть десять различных научных инструментов. Некоторые из них нужны для сбора и анализа образцов солнечного ветра, когда он проходит мимо космического корабля, другие предназначены для создания высококачественных изображений активности на поверхности Солнца.
Объединив фотографические и инструментальные данные, ученые впервые смогли более четко определить, где зарождается медленный солнечный ветер. Это помогло им выяснить, как он может покинуть Солнце и начать свое путешествие в гелиосферу — гигантский пузырь, который включает нашу звезду, планеты и защищает Солнечную систему от межзвездной радиации.
Доктор Стеф Ярдли из Университета Нортумбрии, возглавляющий новое исследование, объясняет: «Изменчивость потоков солнечного ветра, измеренная на месте с помощью космического корабля вблизи Солнца, дает нам много информации об их источниках. И хотя прошлые исследования проследили происхождение солнечного ветра, связанные с ними измерения были сделаны гораздо ближе к Земле».
Считается, что разница между скоростью быстрого и медленного солнечного ветра обусловлена разными областями солнечной короны, из которых они происходят. Открытая корона относится к областям, где линии магнитного поля прикрепляются к Солнцу только на одном конце и уходят в космос на другом, создавая шоссе для выхода солнечного материала в космос. Эти области более прохладные и считаются источником быстрого солнечного ветра.
Между тем, закрытая корона относится к областям Солнца, где линии магнитного поля закрыты, то есть они соединены с солнечной поверхностью на обоих концах. Их можно рассматривать как большие яркие петли, образующиеся над магнитно-активными областями. Время от времени эти замкнутые магнитные петли разрываются, предоставляя солнечному материалу возможность выйти наружу, точно так же, как это происходит через открытые линии магнитного поля, прежде чем снова соединиться и сформировать замкнутый контур. Обычно это происходит в областях, где встречаются открытая и закрытая короны.
Одна из целей Solar Orbiter — проверить теорию о том, что медленный солнечный ветер возникает из закрытой короны и способен уходить в космос посредством процесса разрыва и повторного соединения линий магнитного поля. Одним из способов, которым научная группа смогла проверить эту теорию, было измерение состава потоков солнечного ветра.
Комбинация тяжелых ионов, содержащихся в солнечном веществе, различается в зависимости от того, откуда оно произошло — из более горячей закрытой короны или более холодной открытой.
Используя инструменты на борту Solar Orbiter, ученые проанализировали активность на поверхности Солнца, а затем сопоставили ее с потоками солнечного ветра, собранными космическим кораблем. С помощью изображений поверхности Солнца, полученных космическим кораблем, они смогли точно определить, что медленные потоки ветра исходили из области, где встречаются открытая и закрытая короны. Это доказывает правдивость теории о том, что медленный ветер может вырваться из замкнутых силовых линий магнитного поля через процесс разрыва и повторного соединения.
«Изменчивый состав солнечного ветра, измеренный на Solar Orbiter, соответствовал изменению состава источников в короне, — комментирует доктор Ярдли. — Изменения в составе тяжелых ионов вместе с электронами служат убедительным доказательством того, что изменчивость обусловлена не только различными областями источника, но также и процессами пересоединения, происходящими между замкнутыми и разомкнутыми контурами в короне».
Миссия ESA Solar Orbiter считается международной. Специалисты со всего мира работают вместе, предоставляя специальные навыки и оборудование для изучения Солнца. Среди инструментов на борту Solar Orbiter — датчик тяжелых ионов (HIS), частично разработанный исследователями и инженерами из Лаборатории исследований космической физики Мичиганского университета на факультете климатических и космических наук и инженерии. Датчик предназначен для измерения тяжелых ионов в солнечном ветре, которые можно использовать для определения происхождения солнечного ветра.
«Поскольку химический состав солнечного ветра остается постоянным по мере его распространения в Солнечную систему, мы можем использовать эти ионы в качестве отпечатков пальцев, чтобы определить происхождение конкретного потока солнечного ветра в нижней части солнечной атмосферы», — уточняет Сьюзан Лепри, профессор климатических, космических наук и инженерии Мичиганского университета, а также заместитель главного исследователя датчика тяжелых ионов.
Электроны в солнечном ветре измеряются системой электронного анализатора (EAS), а в измерении скорости солнечного ветра помогает датчик протон-альфа (PAS). Ранее приборы Solar Orbiter показали, как выглядит поверхность Солнца вблизи.
