Учёные используют рентгеновские лучи для дистанционного измерения магнитного пересоединения в околоземном пространстве

На изображении показано распределение интенсивности рентгеновского излучения (цветовая шкала), рассчитанное по предложенной модели, а также магнитное поле Земли (линии). Сфера в центре фигуры представляет Землю, а левая сторона фигуры обращена к Солнцу. Автор: доктор Ёсукэ Мацумото из Университета Тиба, Япония

Магнитосфера, образованная магнитным полем Земли, действует как защитный экран, отклоняющий солнечный ветер — поток заряженных частиц, постоянно исходящий от Солнца к нашей планете. Этот магнитный барьер защищает нашу атмосферу и технологии, от которых мы всё больше зависим в околоземном пространстве, такие как спутники связи.

Однако магнитосфера не является непроницаемой. Фундаментальный процесс под названием «магнитное пересоединение» может временно ослаблять этот барьер во время интенсивного солнечного ветра, вызывая резкие колебания энергии в околоземном пространстве. По мере увеличения человеческой активности в этом регионе понимание и прогнозирование таких космических явлений становится критически важным.

Ключом к пониманию этих процессов является измерение так называемой «скорости пересоединения», которая количественно определяет энергетическую эффективность процессов магнитного пересоединения. Десятилетиями учёные пытались измерить эту скорость различными методами, включая прямые пролёты космических аппаратов через зоны пересоединения и наблюдения за солнечными вспышками с помощью дистанционного зондирования.

Однако традиционные подходы предоставляют лишь локальные снимки процесса магнитного пересоединения или ограничены специфическими, часто нестабильными условиями. Получение всеобъемлющей и последовательной картины, объединяющей локальные и глобальные скорости пересоединения, остаётся сложной задачей.

В этом контексте исследовательская группа под руководством доцента Ёсукэ Мацумото из Института перспективных академических исследований Университета Тиба (Япония) тестирует инновационный подход с использованием мягкого рентгеновского излучения для измерения скорости пересоединения. Исследование, соавторами которого выступили Рёта Момосэ из Университета Тиба и профессор Ёсидзуми Миёси из Университета Нагоя, было опубликовано в онлайн-версии 23 июня 2025 года и вошло в выпуск журнала Geophysical Research Letters от 28 июня 2025 года.

Мягкое рентгеновское излучение возникает в результате процесса обмена зарядами между тяжёлыми ионами солнечного ветра и нейтральными атомами водорода, происходящими от Земли. В этом исследовании учёные предлагают использовать мягкое рентгеновское излучение, естественным образом испускаемое при взаимодействии частиц солнечного ветра с границами магнитосферы, для дистанционного измерения скорости пересоединения на гораздо больших областях, чем это было возможно ранее.

Команда провела сложные компьютерные моделирования на суперкомпьютере «Фугаку», объединив высокоточные глобальные магнито-гидродинамические симуляции земной магнитосферы с моделью мягкого рентгеновского излучения. На основе симуляций они проанализировали, как рентгеновское излучение, связанное с пересоединением, может наблюдаться со спутника, расположенного на лунном расстоянии, в условиях интенсивного солнечного ветра. Эта точка обзора примерно соответствует позиции будущего спутника для рентгеновской съёмки GEO-X, запуск которого запланирован в ближайшем будущем.

Проанализировав результаты моделирования, исследователи обнаружили, что самые яркие рентгеновские излучения формируют характерные «куспообразные» узоры, которые напрямую отражают структуру магнитного поля вокруг зон пересоединения. Измерив угол раскрытия этих ярких областей, они рассчитали глобальную скорость пересоединения, которая составила 0,13. Это значение хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями и предыдущими лабораторными измерениями.

Таким образом, результаты показывают, что геометрия ярких рентгеновских структур коррелирует со скоростью пересоединения, предлагая новый метод оценки этого важного параметра. «Рентгеновская съёмка границы магнитосферы, обращённой к Солнцу, теперь потенциально позволяет количественно оценить приток энергии солнечного ветра в магнитосферу, делая рентгеновские лучи новым инструментом диагностики космической погоды», — подчёркивает доктор Мацумото.

Предоставляя новый способ измерения и понимания магнитного пересоединения, это исследование напрямую способствует улучшению прогнозирования космической погоды. Возможность предсказывать, как солнечная активность влияет на околоземное пространство, жизненно важна для защиты космонавтов и обеспечения надёжности систем связи и космических миссий, особенно в условиях потенциально разрушительных событий, таких как магнитные бури.

Кроме того, это исследование имеет более широкие научные последствия для понимания магнитного пересоединения в других контекстах. Как объясняет доктор Мацумото: «Магнитное пересоединение не только ответственно за прорыв магнитного щита Земли, но и является основным процессом, стоящим за взрывными событиями в плазменных устройствах, на Солнце и в чёрных дырах. Понимание этого процесса необходимо для развития технологий, таких как удержание плазмы в термоядерных реакторах, и исследования происхождения высокоэнергетических космических лучей».

По мере того как человечество готовится к эре космических исследований и коммерческой деятельности в космосе, этот новый метод может проложить путь к точным прогнозам космической погоды, помогая обеспечить безопасность и успех наших предприятий за пределами земной атмосферы.

Дополнительная информация: Ryota Momose et al, Estimation of Reconnection Rate From Soft X‐Ray Emission at the Earth's Dayside Magnetopause, Geophysical Research Letters (2025). DOI: 10.1029/2024GL114342

Источник: Chiba University