Неожиданный корональный дождь на солнце связывает две загадки Солнца

Мейсон, аспирант Католического университета Америки в Вашингтоне, D.C., искал корональный дождь: гигантские шары плазмы или наэлектризованного газа, которые стекают из внешней атмосферы Солнца обратно на его поверхность. Но она ожидала найти его в ленточках на шлемах, магнитных петлях высотой в миллион миль, названных в честь их сходства с заостренным шлемом рыцаря, которые можно увидеть выступающими из Солнца во время солнечного затмения. Компьютерное моделирование предсказало, что там может быть корональный дождь. Наблюдения за солнечным ветром, газом, уходящим от Солнца в космос, намекали, что может идти дождь.

И если бы она могла просто найти его, физика, лежащая в основе создания дождя, имела бы серьезные последствия для 70-летней тайны того, почему внешняя атмосфера Солнца, известная как корона, намного горячее, чем его поверхность. Но после почти полгода поисков Мейсон просто не смог его найти. «Было много поисков, – сказал Мейсон, – чего-то, чего в итоге так и не произошло."
Как выяснилось, проблема заключалась не в том, что она искала, а в том, где. В статье, опубликованной сегодня в Astrophysical Journal Letters, Мейсон и ее соавторы описывают первые наблюдения коронального дождя в меньшей, ранее упускаемой из виду магнитной петле на Солнце.

После долгих, извилистых поисков в неверном направлении, результаты установили новую связь между аномальным нагревом короны и источником медленного солнечного ветра – двумя из самых больших загадок, с которыми сегодня сталкивается солнечная наука.
Как идет дождь на солнце

Наблюдаемое с помощью телескопов высокого разрешения, установленных на космическом корабле НАСА SDO, Солнце – горячий плазменный шар, изобилующий силовыми линиями магнитного поля, очерченными гигантскими огненными петлями – похоже, имеет мало физического сходства с Землей. Но на нашей родной планете есть несколько полезных советов по разбору хаотической суматохи Солнца: в том числе дождь.

На Земле дождь – лишь одна часть большого круговорота воды, бесконечная борьба между жарой и силой тяжести. Он начинается, когда жидкая вода, скопившаяся на поверхности планеты в океанах, озерах или ручьях, нагревается Солнцем. Часть его испаряется и поднимается в атмосферу, где охлаждается и конденсируется в облака. В конце концов, эти облака становятся настолько тяжелыми, что сила притяжения становится непреодолимой, и вода падает обратно на Землю в виде дождя, прежде чем процесс начнется заново.

На Солнце, сказал Мейсон, корональный дождь работает аналогичным образом, «но вместо воды с углом 60 градусов вы имеете дело с плазмой с температурой в миллион градусов."Плазма, электрически заряженный газ, не объединяется, как вода, а вместо этого отслеживает магнитные петли, которые выходят из поверхности Солнца, как американские горки на рельсах. В точках основания петли, где она прикрепляется к поверхности Солнца, плазма перегревается от нескольких тысяч до более чем 1.8 миллионов градусов по Фаренгейту. Затем он расширяется вверх по петле и собирается на пике, вдали от источника тепла. По мере охлаждения плазма конденсируется, и гравитация увлекает ее вниз по ногам петли, как корональный дождь.

Мейсон искала корональный дождь в лентах шлема, но ее мотивация искать там была больше связана с этим основным циклом нагрева и охлаждения, чем с самим дождем. По крайней мере, с середины 1990-х годов ученым было известно, что стримеры на шлемах являются одним из источников медленного солнечного ветра, сравнительно медленного и плотного потока газа, уходящего от Солнца отдельно от его быстро движущегося аналога. Но измерения медленного газа солнечного ветра показали, что когда-то он был сильно нагрет, прежде чем остыть и покинуть Солнце.

Циклический процесс нагрева и охлаждения за корональным дождем, если бы он происходил внутри лент шлема, был бы одним из кусочков головоломки.
Другая причина связана с проблемой нагрева короны – загадка того, как и почему внешняя атмосфера Солнца примерно в 300 раз горячее, чем его поверхность. Поразительно, но моделирование показало, что корональный дождь образуется только тогда, когда тепло воздействует на самое дно петли. «Если на петле есть корональный дождь, это означает, что нижние 10% петли или меньше – это место, где происходит корональный нагрев», – сказал Мейсон. Контуры дождя представляют собой измерительный стержень, точку отсечки, чтобы определить, где нагревается корона.

Начать поиск с самых больших петель, которые они смогли найти – гигантских лент для шлемов, – казалось скромной целью, которая увеличит их шансы на успех.
У нее были лучшие данные для работы: изображения, сделанные Обсерваторией солнечной динамики НАСА, или SDO, космическим кораблем, который фотографировал Солнце каждые двенадцать секунд с момента его запуска в 2010 году. Но почти через полгода поисков Мейсон все еще не заметил ни капли дождя на ленте шлема. Однако она заметила множество крошечных магнитных структур, с которыми она не была знакома. «Они были действительно яркими и продолжали привлекать мой взгляд», – сказал Мейсон. "Когда я наконец взглянул на них, я понял, что дождь шел по несколько десятков часов подряд."

Поначалу Мейсон была так сосредоточена на поисках ленты для шлема, что ничего не сделала из наблюдений. «Она пришла на собрание группы и сказала:« Я так и не нашла этого – я все время вижу это в этих других структурах, но они не стримеры для шлема », – сказал Никольен Виалл, солнечный ученый из Годдарда и соавтор. бумаги. "И я сказал: ‘Подожди…Подожди. Где ты это видишь? Я не думаю, что кто-нибудь когда-либо видел это раньше!’"

Измерительный стержень для нагрева

Эти конструкции несколько отличались от стримеров на шлемах. Но самым поразительным в них был их размер.
«Эти петли были намного меньше, чем то, что мы искали», – сказал Спиро Антиохос, который также является солнечным физиком в Годдарде и соавтором статьи. "Это говорит о том, что нагрев короны гораздо более локализован, чем мы думали."

Хотя результаты не говорят точно, как нагревается корона, «они толкают пол, где может произойти нагревание короны», – сказал Мейсон. Она нашла дождевые петли высотой около 30 000 миль, что составляет всего два процента от высоты некоторых лент для шлема, которые она изначально искала. И дождь конденсирует область, где может происходить ключевой корональный нагрев. «Мы до сих пор не знаем точно, что нагревает корону, но мы знаем, что это должно происходить в этом слое», – сказал Мейсон.
Новый источник медленного солнечного ветра

Но одна часть наблюдений не совпадала с предыдущими теориями. Согласно нынешнему пониманию, корональный дождь образуется только в замкнутых контурах, где плазма может собираться и охлаждаться без каких-либо средств выхода. Но когда Мейсон проанализировал данные, она обнаружила случаи, когда дождь формировался на открытых линиях магнитного поля. Привязанный к Солнцу только одним концом, другой конец этих открытых силовых линий выходит в космос, и плазма там может улетучиваться в солнечный ветер.

Чтобы объяснить аномалию, Мейсон и команда разработали альтернативное объяснение – такое, которое связывает дождь на этих крошечных магнитных структурах с происхождением медленного солнечного ветра.
Согласно новому объяснению, падающая плазма начинает свой путь по замкнутому контуру, но переключается – посредством процесса, известного как магнитное пересоединение – на разомкнутый. Это явление часто случается на Солнце, когда замкнутая петля врезается в открытую силовую линию, и система сама себя переключает.

Внезапно перегретая плазма в замкнутом контуре оказывается на открытой силовой линии, как поезд, сменивший рельсы. Часть этой плазмы будет быстро расширяться, остывать и падать обратно к Солнцу в виде коронального дождя. Но другие его части ускользнут, образуя, как они подозревают, часть медленного солнечного ветра.

Мейсон в настоящее время работает над компьютерным моделированием нового объяснения, но она также надеется, что появившиеся в ближайшее время данные наблюдений подтвердят это. Теперь, когда солнечный зонд Parker Solar Probe, запущенный в 2018 году, летит ближе к Солнцу, чем любой другой космический корабль до него, он может пролететь сквозь порывы медленного солнечного ветра, которые можно проследить до Солнца – потенциально, до одного из событий коронального дождя Мейсона. После наблюдения коронального дождя на открытой силовой линии, исходящая плазма, уходящая в солнечный ветер, обычно была бы потеряна для потомков. Но больше не. «Потенциально мы можем установить связь с Parker Solar Probe и сказать, что все», – сказал Виалл.

Копаемся в данных
Что касается обнаружения коронального дождя в лентах шлема? Поиск продолжается. Симуляции ясны: дождь должен быть. "Может быть, он такой маленький, что ты его не видишь?- сказал Антиох. "Мы действительно не знаем."

Но опять же, если бы Мейсон нашла то, что искала, она, возможно, не сделала бы этого открытия – или потратила бы все это время на изучение тонкостей солнечных данных.
«Это звучит как утомительная работа, но, честно говоря, это моя любимая вещь», – сказал Мейсон. "Я имею в виду, что именно поэтому мы создали то, что делает так много изображений Солнца: чтобы мы могли посмотреть на них и понять это."

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *