Новая модель предсказывает ускорение и побег частиц солнечной бури

Автор: Michigan State University

Томас До, аспирант кафедры астрономии Мичиганского государственного университета, опубликовал статью, в которой предсказывает, как частицы ускоряются в более широкой сети обстоятельств, чем предыдущие модели. Его модель может быть применена к солнечным бурям, которые влияют на технологии в космосе.

До начал работать с заряженными частицами три года назад во время студенческого исследовательского проекта в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики в Массачусетсе. Его исследование было направлено на то, чтобы пролить свет на то, как заряженные частицы ускоряются, когда их увлекают мощные выбросы массы с Солнца. Эти взрывы называются корональными выбросами массы, и когда они достаточно быстры, они могут создавать ударные волны.

«Когда они вылетают из Солнца, они по пути взаимодействуют с заряженными частицами. Во время этих взаимодействий частицы получают энергию от ударной волны», — сказал До.

По мере того, как частицы набирают энергию, они все быстрее и быстрее устремляются в космос и к Земле. Иногда частицы набирают такую скорость, что они катапультируются мимо гребня ударной волны, вырываясь из-за нее в космос.

Чтобы понять, как заряженные частицы вылетают, До расширил модель, разработанную в 2021 году Федерико Фраскетти, астрофизиком из Центра астрофизики. Обновленная модель Фраскетти и До предсказывает, как частицы ускоряются и вылетают в более широком диапазоне энергий, чем предыдущие модели. В частности, их модель учитывает вылет из ускоряющейся области частиц в диапазоне более высоких и более низких энергий. Это важно, сказал Фраскетти, потому что ранее считалось, что только частицы высокой энергии вырываются из ударной волны.

Предыдущая модель, которую ученые использовали для прогнозирования заряженных частиц, разработанная около 50 лет назад, не включала частицы с низкой энергией. Используя несколько уровней энергии в своей обновленной модели, команда создала набор уравнений, которые предсказывают, как частицы ускоряются с течением времени и сколько частиц покидают пространство на каждом уровне энергии.

«Мы пытаемся допустить возможность вылета большего количества частиц, поскольку считаем, что это более реалистично с физической точки зрения», — сказал До.

Расширив модель, он и Фраскетти захотели сравнить ее с реальным солнечным событием.

Они знали, что это лишь вопрос времени, когда у них появится шанс, сказал Фраскетти. Это потому, что солнце достигает своего солнечного максимума, когда солнечная активность самая высокая в его 11-летнем цикле. Во время солнечного максимума мощные взрывы, необходимые для генерации ударных волн, происходят чаще и интенсивнее.

Команде не пришлось долго ждать такого события. 5 сентября 2022 года солнце выплеснуло в космос огромный сгусток энергии, как раз когда солнечный зонд Parker от NASA совершил одно из своих самых близких погружений к звезде. Зонд записал такие данные, как скорость частиц и температура, когда ударная волна взрыва врезалась в него.

«Нам так повезло в сентябре 2022 года увидеть самое начало этого процесса», — сказал Фраскетти. «Это одно из событий, для измерения которого был разработан Parker Solar Probe».

Они обнаружили, что предсказание их модели совпало с тем, что сообщил Parker Solar Probe: ускорение частиц и выход через диапазон уровней энергии. Зонд находился очень близко к Солнцу — для масштаба, если бы Земля и Солнце находились на расстоянии метра друг от друга, зонд был бы всего в 7 сантиметрах. Эта близость означала, что частицы, через которые он проходил, недавно пересекли пути с ударной волной, поэтому команда могла видеть данные о частицах, которые еще не набрали большой скорости.

«Модель показала отличное соответствие данным и подтвердила, что наше физическое ожидание того, что происходит с молодыми ударными волнами вблизи Солнца, верно», — сказал Фраскетти. «Мы никогда не проверяли это ожидание, и оно не должно было быть таким».

«Эту модель можно использовать и в других областях космических исследований, связанных с заряженными частицами», — сказал До.

Больше информации: Thomas M. Do et al, Time-dependent Acceleration and Escape of Charged Particles at Traveling Shocks in the Near-Sun Environment, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/ad93b2

Источник: Michigan State University