Создание глобальных карт магнитного поля Солнца

Иллюстрация глобального коронального магнитного поля при вращении Солнца. Фоном является солнечная корона, наблюдаемая в диапазоне экстремального ультрафиолета, с картами глобального коронального магнитного поля, измеренными в разное время, наложенными поверх нее. Автор: Zihao Yang.

Впервые ученые провели почти ежедневные измерения глобального коронального магнитного поля Солнца, области Солнца, которая в прошлом наблюдалась лишь нерегулярно. Полученные наблюдения дают ценную информацию о процессах, которые приводят к интенсивным солнечным бурям, влияющим на фундаментальные технологии, а значит, на жизнь и средства к существованию здесь, на Земле.

Анализ данных, собранных за восемь месяцев с помощью прибора под названием «Усовершенствованный корональный многоканальный поляриметр» (UCoMP), был опубликован в журнале Science.

Солнечное магнитное поле является основным фактором солнечных бурь, которые могут представлять угрозу для электросетей, систем связи и космических технологий, таких как GPS. Однако наша способность понять, как магнитное поле накапливает энергию и извергается, была ограничена проблемой наблюдения за ним в солнечной короне, верхней атмосфере Солнца.

Измерение магнетизма региона стандартными поляриметрическими методами обычно требует большого и дорогостоящего оборудования, которое до настоящего времени позволяло изучать лишь небольшие участки короны.

Однако совместное использование корональной сейсмологии и наблюдений UCoMP позволяет исследователям получать последовательные и всесторонние представления о магнитном поле глобальной короны — изображение всего Солнца, которое можно увидеть во время солнечного затмения.

«Глобальное картирование коронального магнитного поля было большой недостающей частью в изучении Солнца», — сказал Цзыхао Ян, ведущий автор, который занимался этим исследованием, будучи аспирантом Пекинского университета (Китай), а сейчас является постдокторантом Национального центра атмосферных исследований Национального научного фонда США (NSF NCAR).

«Это исследование помогает нам заполнить важный пробел в нашем понимании корональных магнитных полей, которые являются источником энергии для штормов, способных воздействовать на Землю».

Международная группа состоит из исследователей из Нортумбрийского университета, Великобритания; NSF NCAR; Пекинского университета, Китай; и Мичиганского университета. Инструмент UCoMP управляется NSF NCAR в солнечной обсерватории Мауна-Лоа.

Модернизированный инструмент

Хотя ученые могли регулярно измерять магнитное поле на поверхности Солнца, известное как фотосфера, долгое время было трудно измерить гораздо более слабое корональное магнитное поле. Это ограничивало более глубокое понимание трехмерной структуры и эволюции магнитного поля короны, где зарождаются солнечные бури.

Для измерения трехмерных корональных магнитных полей в глубине необходимы большие телескопы, такие как солнечный телескоп Дэниела К. Иноуэ (DKIST) от NSF. С апертурой диаметром 4 метра DKIST является крупнейшим в мире солнечным телескопом, и недавно он продемонстрировал свою новаторскую способность проводить детальные наблюдения коронального магнитного поля.

Однако DKIST не может составить карту всего Солнца сразу. Меньший инструмент UCoMP на самом деле лучше подходит для предоставления ученым глобальных картин коронального магнитного поля, хотя и с меньшим разрешением и в двумерной проекции. Таким образом, наблюдения из обоих источников в значительной степени дополняют целостное представление о корональном магнитном поле.

UCoMP — это в первую очередь коронограф, инструмент, который использует диск для блокировки солнечного света, подобно затмению, что облегчает наблюдение за короной. Он также сочетает в себе поляриметр Стокса, который отображает другую спектральную информацию, такую как интенсивность корональных линий и доплеровскую скорость.

Несмотря на то, что UCoMP имеет гораздо меньшую апертуру (20 см), он способен охватывать более широкий угол обзора, что позволяет изучать все солнце в большинство дней.

Исследователи применили метод, называемый корональной сейсмологией, для отслеживания магнитогидродинамических (МГД) поперечных волн в данных UCoMP. МГД-волны дали им информацию, которая позволила создать двумерную карту силы и направления коронального магнитного поля.

В 2020 году предыдущее исследование использовало предшественника UCoMP и метод корональной сейсмологии для создания первой карты глобального коронального магнитного поля. Это был важный шаг к рутинным измерениям коронального магнитного поля. UCoMP расширил возможности, что позволяет проводить более подробные рутинные измерения.

В ходе исследования UCoMP исследовательская группа составила 114 карт магнитного поля в период с февраля по октябрь 2022 года, то есть по одной карте практически через день.

«Мы вступаем в новую эру исследований физики Солнца, где мы можем регулярно измерять корональное магнитное поле», — сказал Ян.

Завершение картины

Наблюдения также дали первые измерения коронального магнитного поля в полярных регионах. Полюса Солнца никогда не наблюдались напрямую, поскольку изгиб Солнца вблизи полюсов оставляет его за пределами нашего обзора с Земли.

Хотя исследователи не видели полюса напрямую, им впервые удалось провести измерения магнетизма, испускаемого ими. Это было отчасти связано с улучшенным качеством данных, предоставленных UCoMP, а также с тем, что солнце было близко к солнечному максимуму. Обычно слабые выбросы из полярного региона были намного сильнее, что упростило получение результатов коронального магнитного поля в полярных регионах.

Будучи постдокторантом в NSF NCAR, Янг продолжит свои исследования магнитного поля Солнца; он надеется улучшить существующие корональные модели, основанные на измерениях фотосферы. Поскольку текущий метод, используемый с UCoMP, ограничен двумя измерениями, он все еще не охватывает полное трехмерное магнитное поле.

Ян и его коллеги надеются объединить свои исследования с другими методами, чтобы получить более глубокое понимание полного вектора магнитного поля в короне.

Третье измерение магнитного поля, ориентированное вдоль линии взгляда наблюдателя, имеет особое значение для понимания того, как заряжается корона, что приводит к солнечному извержению.

В конечном итоге, для измерения всех трехмерных изгибов и переплетений, лежащих в основе таких явлений, как солнечные извержения, необходимо сочетание большого телескопа и глобального поля зрения. Именно это является мотивацией для предлагаемой Обсерватории коронального солнечного магнетизма (COSMO) — солнечного рефракторного телескопа диаметром 1,5 метра, который проходит окончательную проработку конструкции.

«Поскольку корональный магнетизм — это сила, которая заставляет массу Солнца лететь через Солнечную систему, мы должны наблюдать ее в трехмерном пространстве — и одновременно везде, по всей глобальной короне», — сказала Сара Гибсон, руководитель разработки COSMO и соавтор статьи, ученый NSF NCAR.

«Работа Янга представляет собой огромный шаг вперед в нашей способности понимать, как глобальное корональное магнитное поле Солнца меняется изо дня в день. Это имеет решающее значение для нашей способности лучше предсказывать и готовиться к солнечным бурям, которые представляют все большую опасность для нашей все более зависимой от технологий жизни здесь, на Земле».

Больше информации: Zihao Yang et al, Observing the evolution of the Sun's global coronal magnetic field over eight months, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado2993. www.science.org/doi/10.1126/science.ado2993

Источник: National Center for Atmospheric Research