Рекомбинация водорода оказалась наиболее правдоподобным объяснением высокого уровня энергии в звездных супервспышках

Обсерватория солнечной динамики НАСА сделала снимок солнечной вспышки – как видно на яркой вспышке вверху слева – 21 февраля 2024 года. На снимке показана смесь света в 171 Ангстрем и 131 Ангстрем, подмножества экстремально ультрафиолетового излучения, которые выделяют плазменные петли в короне и чрезвычайно горячий материал во вспышках, соответственно. Обрезано, чтобы выделить область вспышки. Автор: NASA/SDO

Хотя их основной целью является поиск экзопланет, обсерватории, такие как космический телескоп «Кеплер» и спутник для исследования транзитных экзопланет (TESS), предоставили огромное количество данных о звездных вспышках, обнаруженных с помощью высокоточной фотометрии с помощью широкополосных фильтров в видимом спектре света.

Звезды находятся так далеко, что кажутся этим телескопам лишь точками света, а явления, интерпретируемые как звездные вспышки, представляют собой резкое увеличение яркости этих точек.

Также не хватает данных по другим частям электромагнитного спектра, и большинство исследований этих событий сосредоточено на энергии облучения. Наблюдения обнаружили «супервспышки» — огромные магнитные извержения в атмосферах звезд с энергией, в 100–10 000 раз превышающей энергию самых энергичных солнечных вспышек. Вопрос в том, может ли какая-либо из доступных моделей объяснить столь высокие уровни энергии.

Доступны две модели. Более популярная теория рассматривает излучение супервспышки как излучение абсолютно черного тела при температуре 10 000 Кельвинов. Другой связывает явление с процессом ионизации и рекомбинации атомов водорода.

Исследование, проведенное исследователями из Центра радиоастрономии и астрофизики Маккензи (CRAAM) в Пресвитерианском университете Маккензи (UPM) в Бразилии и Школы физики и астрономии Университета Глазго в Соединенном Королевстве, проанализировало две модели.

Исследование опубликовано в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.

«Учитывая известные процессы передачи энергии во вспышках, мы утверждаем, что модель рекомбинации водорода физически более правдоподобна, чем модель черного тела, для объяснения происхождения широкополосного оптического излучения вспышек», — сказал Пауло Симойнс, первый автор статьи и исследователь профессор UPM.

Используя две модели, исследователи проанализировали 37 супервспышек в двойной звездной системе Кеплер-411 и пять супервспышек на звезде Кеплер-396. «Мы пришли к выводу, что оценки общей энергии вспышки, основанные на модели рекомбинации водорода, примерно на порядок ниже, чем значения, полученные с использованием модели излучения черного тела, и лучше соответствуют известным вспышечным процессам», — сказал Симойнс.

Эти процессы описываются в терминах солнечных вспышек. Несмотря на множество различий, солнечные вспышки продолжают служить основой для моделей, на основе которых интерпретируются звездные вспышки. О солнечных вспышках накоплено огромное количество сведений, впервые зафиксированных в астрономической литературе двумя английскими астрономами Ричардом Карингтоном и Ричардом Ходжсоном, независимо наблюдавшими такую же солнечную вспышку 1 сентября 1859 года.

«С тех пор наблюдаются солнечные вспышки с интенсивной яркостью, продолжающейся от нескольких секунд до нескольких часов, и на разных длинах волн, от радиоволн и видимого света до ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Солнечные вспышки являются одними из самых энергетических явлений в нашей Солнечной системе и могут влиять на спутники. операции, радиосвязь, электросети, системы навигации и GPS, и это лишь несколько примеров», — сказал Александр Араужо, доктор философии CRAAM, школьный учитель и соавтор статьи.

Солнечные вспышки происходят в активных областях, связанных с интенсивными магнитными полями, где большое количество энергии резко высвобождается в короне (самый внешний слой Солнца) за счет повторного подключения магнитного поля, нагревая плазму и ускоряя электроны и ионы, среди других частиц.

«Поскольку у них меньшая масса, электроны могут ускоряться до значительной части скорости света, обычно около 30%, но иногда и больше. Ускоренные частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля, и некоторые из них выбрасываются в межпланетное пространство, а другие направляются в противоположном направлении – в хромосферу, слой под короной, где они сталкиваются с плазмой высокой плотности и их энергия передается среде.

«Избыточная энергия нагревает локальную плазму, вызывая ионизацию и возбуждение атомов и, как следствие, создавая излучение, которое мы можем обнаружить с помощью телескопов на поверхности Земли и в космосе», — объяснил Симойнс.

Начиная с 1960-х годов, многие наблюдательные и теоретические исследования пытались объяснить исключительно большое количество видимого света, излучаемого солнечными вспышками, но окончательное решение до сих пор не найдено. Наиболее популярными объяснениями, полученными в результате этих исследований, являются излучение черного тела от нагрева фотосферы, слоя под хромосферой и рекомбинационное излучение водорода в хромосфере. Эта рекомбинация происходит, когда протоны и электроны, разделенные ионизацией, воссоединяются, образуя атомы водорода.

«Ограничение первого случая можно резюмировать как вопрос переноса энергии: ни один из механизмов переноса энергии, обычно принимаемых для солнечных вспышек, не способен доставлять энергию, необходимую в фотосфере, чтобы вызвать достаточный нагрев плазмы, чтобы объяснить наблюдения», — сказал Симойнс.

Араужо согласился и сказал: «Расчеты, впервые выполненные в 1970-х годах и позже подтвержденные компьютерным моделированием, показывают, что большинству электронов, ускоренных в солнечных вспышках, не удается пересечь хромосферу и попасть в фотосферу. Модель черного тела как объяснение белого света в солнечных вспышках поэтому несовместимо с основным процессом переноса энергии, принятым для солнечных вспышек».

Что касается модели рекомбинационного излучения водорода, то она более последовательна с физической точки зрения, но, к сожалению, пока не может быть подтверждена наблюдениями, заключают исследователи, хотя в статье приводятся дополнительные аргументы в пользу этой модели, которой не уделялось внимания в большинстве исследований.

Больше информации: Paulo JA Simões et al, Hydrogen recombination continuum as the radiative model for stellar optical flares, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae186

Источник: FAPESP