Solar Orbiter показывает, как солнечный ветер получает магнитное толчок

Магнитные волны питают высокоскоростной солнечный ветер. Автор: European Space Agency

Солнечный ветер — это постоянный поток заряженных частиц, который вырывается из солнечной атмосферы (называемой короной) и пролетает мимо Земли. Именно столкновение солнечного ветра с атмосферой нашей планеты вызывает красочное полярное сияние в нашем небе.

«Быстрый» солнечный ветер движется со скоростью более 500 км/с, что эквивалентно колоссальным 1,8 миллионам км/ч. Любопытно, что этот ветер покидает солнечную корону с более низкой скоростью, поэтому что-то ускоряет его по мере удаления. Ветер температурой в миллион градусов естественным образом остывает, расширяясь в больший объем и становясь менее плотным, как воздух на Земле, когда вы поднимаетесь на гору. И все же он остывает медленнее, чем можно было бы ожидать, исходя только из этого эффекта.

Так что же обеспечивает необходимую энергию для ускорения и нагрева самых быстрых частей солнечного ветра? В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые использовали данные с Solar Orbiter ЕКА и Parker Solar Probe НАСА, чтобы предоставить убедительные доказательства того, что ответ заключается в крупномасштабных колебаниях в магнитном поле Солнца, известных как волны Альвена.

«До этой работы волны Альвена предполагались в качестве потенциального источника энергии, но у нас не было окончательных доказательств», — говорит соавтор первой статьи Йейми Ривера из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института, Массачусетс.

В обычном газе, таком как атмосфера Земли, единственный тип волн, который может передаваться, — это звуковые волны. Однако, когда газ нагревается до необычайных температур, например, в атмосфере Солнца, он переходит в электрифицированное состояние, известное как плазма, и реагирует на магнитные поля. Это позволяет волнам, называемым волнами Альвена, формироваться в магнитном поле. Эти волны хранят энергию и могут эффективно переносить ее через плазму.

Обычный газ выражает свою запасенную энергию в форме плотности, температуры и скорости. Однако в плазме магнитное поле также запасает энергию. И Solar Orbiter, и Parker Solar Probe содержат необходимые приборы для измерения свойств плазмы, включая ее магнитное поле.

Хотя два космических аппарата находятся на разных расстояниях от Солнца и на совершенно разных орбитах, в феврале 2022 года космические аппараты случайно оказались на одной линии с одним и тем же потоком солнечного ветра.

Parker, работающий на расстоянии 13,3 солнечных радиусов (около 9 миллионов км) от Солнца на самых внешних краях солнечной короны, первым пересек поток. Solar Orbiter, работающий на расстоянии 128 солнечных радиусов (89 миллионов км), затем пересек поток день или два спустя. «Эта работа стала возможной только благодаря особому выравниванию двух космических аппаратов, которые отбирали образцы одного и того же потока солнечного ветра на разных этапах его пути от Солнца», — говорит Йейми.

Используя в полной мере это редкое выравнивание, команда сравнила измерения одного и того же потока плазмы в двух разных местах. Сначала они преобразовали измерения в четыре ключевые величины энергии, которые включали измерение накопленной энергии в магнитном поле, называемое потоком энергии волны.

Поскольку энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую, команда сравнила показания Parker с показаниями Solar Orbiter. Они провели это сравнение как с магнитным энергетическим термином, так и без него.

«Мы обнаружили, что если не учитывать поток энергии волн в Parker, то мы не сможем в точности сравнить количество энергии, которое есть в Solar Orbiter», — говорит соавтор Сэмюэл Бэдман из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института, Массачусетс.

Вблизи Солнца, где Паркер измерял поток, около 10% всей энергии было обнаружено в магнитном поле. В Solar Orbiter это число упало до всего 1%, но плазма ускорилась и остыла медленнее, чем ожидалось.

Сравнив цифры, группа пришла к выводу, что потерянная магнитная энергия обеспечивала ускорение и замедляла охлаждение плазмы, обеспечивая некоторое собственное нагревание.

Данные также показывают, насколько важны для ускорения ветра магнитные конфигурации, известные как обратные повороты. Возвращения представляют собой большие отклонения линий магнитного поля Солнца и являются примерами волн Альвена. Они наблюдались с первых солнечных зондов 1970-х годов, но частота их обнаружения резко возросла с тех пор, как Parker Solar Probe стал первым космическим аппаратом, пролетевшим через солнечную корону в 2021 году и обнаружившим, что обратные повороты объединяются в участки.

Новая работа подтверждает, что эти участки перегибов содержат достаточно энергии, чтобы отвечать за недостающую часть ускорения и нагрева быстрого солнечного ветра.

«Эта новая работа искусно объединяет некоторые крупные части солнечной головоломки. Объединение данных, собранных Solar Orbiter, Parker Solar Probe и другими миссиями, все больше показывает нам, что различные солнечные явления на самом деле работают вместе, создавая эту необычную магнитную среду», — говорит Даниэль Мюллер, научный сотрудник проекта Solar Orbiter ЕКА.

И это не просто информация о нашей солнечной системе. «Наше солнце — единственная звезда во Вселенной, ветер которой мы можем измерить напрямую. Поэтому то, что мы узнали о нашем солнце, потенциально применимо, по крайней мере, к другим звездам солнечного типа, а возможно, и к другим типам звезд, у которых есть ветры», — говорит Сэмюэл.

В настоящее время группа работает над расширением своего анализа для применения к более медленным формам солнечного ветра, чтобы выяснить, играет ли энергия магнитного поля Солнца роль в их ускорении и нагревании.

Больше информации: Yeimy J. Rivera et al, In situ observations of large-amplitude Alfvén waves heating and accelerating the solar wind, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adk6953

Источник: European Space Agency