Неожиданный дождь на Солнце связывает две солнечные загадки
В течение пяти месяцев в середине 2017 года Эмили Мейсон делала то же самое каждый день. Прибыв в свой офис в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, она села за свой стол, открыла компьютер и смотрела на изображения Солнца — весь день, каждый день. «Я, вероятно, просматривал данные за три или пять лет», — подсчитал Мейсон. Затем в октябре 2017 года она остановилась. Она поняла, что все время смотрела на неправильную вещь.
Мейсон, аспирант Католического университета Америки в Вашингтоне, округ Колумбия, искал корональный дождь: гигантские шарики плазмы или электрифицированный газ, которые капают из внешней атмосферы Солнца обратно на его поверхность. Но она ожидала найти его в стримерах шлемов, магнитных петлях высотой в миллион миль, названных так за сходство с остроконечным шлемом рыцаря, которые можно увидеть выступающими от Солнца во время солнечного затмения., Компьютерное моделирование предсказало, что корональный дождь может быть найден там. Наблюдения за солнечным ветром, газом, выходящим из Солнца и выходящим в космос, намекали на возможный дождь. И если бы она могла просто найти это, лежащая в основе физика создания дождя имела бы серьезные последствия для 70-летней загадки, почему внешняя атмосфера Солнца, известная как корона, намного горячее, чем ее поверхность. Но после почти полугода поиска Мейсон просто не смог его найти. «Было очень интересно искать, — сказал Мейсон, — то, чего в конечном итоге никогда не было».
Оказалось, проблема не в том, что она искала, а в том, где. В статье, опубликованной сегодня в Astrophysical Journal Letters , Мейсон и ее соавторы описывают первые наблюдения коронального дождя в меньшем, ранее пропущенном виде магнитной петли на Солнце. После долгих извилистых поисков в неправильном направлении, полученные данные создают новую связь между аномальным нагревом короны и источником медленного солнечного ветра — двумя самыми большими загадками, стоящими сегодня перед солнечной наукой.
Как идет дождь на солнце
Наблюдаемое с помощью телескопов высокого разрешения, установленных на космическом корабле НАСА, Солнце — горячий плазменный шар, изобилующий линиями магнитного поля, прослеженными гигантскими огненными петлями, — похоже, имеет мало физического сходства с Землей. Но наша родная планета предоставляет несколько полезных руководств по разбору хаотического шума Солнца: среди них дождь.
На Земле дождь — это только одна часть более крупного круговорота воды, бесконечного перетягивания каната между толчком тепла и гравитацией. Он начинается, когда Солнечная вода нагревает жидкую воду, собранную на поверхности планеты в океанах, озерах или ручьях. Часть его испаряется и поднимается в атмосферу, где охлаждается и конденсируется в облака. В конце концов, эти облака становятся достаточно тяжелыми, чтобы сила притяжения становилась непреодолимой, и вода падала на Землю в виде дождя, прежде чем процесс начинался заново.
На Солнце, сказал Мейсон, корональный дождь работает аналогично, «но вместо 60-градусной воды вы имеете дело с плазмой миллионной степени». Плазма, электрически заряженный газ, не объединяется, как вода, но вместо этого отслеживает магнитные петли, которые возникают на поверхности Солнца, как американские горки на дорожках. В точках подножия петли, где она прикрепляется к поверхности Солнца, плазма перегревается от нескольких тысяч до более чем 1,8 миллиона градусов по Фаренгейту. Затем он расширяет петлю и собирается на своем пике, вдали от источника тепла. Когда плазма остывает, она конденсируется, и сила тяжести заманивает ее вниз по ногам петли, как корональный дождь.
Мейсон искал корональный дождь в стримерах шлемов, но ее мотивация искать там была больше связана с этим основным циклом нагрева и охлаждения, чем сам дождь. По крайней мере, с середины 1990-х годов ученые знали, что стримеры для шлемов являются одним из источников медленного солнечного ветра, сравнительно медленного, плотного потока газа, который покидает Солнце отдельно от его быстро движущегося аналога. Но измерения газа с медленным солнечным ветром показали, что он когда-то нагревался до предельной степени перед охлаждением и выходом из Солнца. Циклический процесс нагревания и охлаждения за корональным дождем, если бы это происходило внутри стримеров шлема, был бы одним из кусочков головоломки.
Другая причина связана с проблемой нагревания короны — загадка того, как и почему внешняя атмосфера Солнца примерно в 300 раз горячее его поверхности. Поразительно, но моделирование показало, что корональный дождь образуется только тогда, когда тепло подается на самое дно петли. «Если на петле есть корональный дождь, это означает, что нижние 10% или меньше — то, где происходит корональный нагрев», — сказал Мейсон. Дождевые петли обеспечивают измерительный стержень, точку отсечения, чтобы определить, где корона нагревается. Начало поиска в самых больших петлях, которые они могли найти — гигантские стримеры для шлемов, — казалось скромной целью, которая максимизировала бы их шансы на успех.
У нее были лучшие данные для работы: снимки, сделанные Обсерваторией солнечной динамики НАСА, или SDO, космическим кораблем, который фотографировал Солнце каждые двенадцать секунд с момента его запуска в 2010 году. Но после почти полугода поиска Мейсон все еще не получил заметил каплю дождя в шлеме стримера. Однако она заметила множество крошечных магнитных структур, с которыми она не была знакома. «Они были очень яркими и продолжали рисовать мне глаза», — сказал Мейсон. «Когда я наконец взглянул на них, то наверняка у них было несколько десятков часов дождя».
Поначалу Мейсон был так сосредоточен на поиске косы в шлеме, что ничего не заметил. «Она пришла на групповое собрание и сказала:« Я так и не нашла его — я вижу это все время в этих других структурах, но они не являются стримерами шлемов », — говорит Николин Виалл, ученый по солнечной энергии в Годдарде, соавтор бумага. «И я сказал:« Подожди … подожди. Где ты это видишь? Я не думаю, что кто-то когда-либо видел это раньше! »
Измерительный стержень для отопления
Эти структуры отличались от стримеров шлема в нескольких отношениях. Но самым поразительным в них был их размер.
«Эти петли были намного меньше, чем мы искали», — сказал Спиро Антиохос, физик по солнечной энергии в Годдарде и соавтор газеты. «Так что это говорит о том, что нагрев короны гораздо более локализован, чем мы думали».
Хотя результаты не говорят точно, как нагревается корона, «они толкают пол, где может происходить нагрев короны», сказал Мейсон. Она нашла дождевые петли высотой около 30 000 миль, всего два процента высоты некоторых стримеров шлема, которые она искала изначально. И дождь уплотняет область, где может происходить основное корональное нагревание. «Мы до сих пор не знаем точно, что нагревает корону, но мы знаем, что это должно произойти в этом слое», — сказал Мейсон.
Новый источник медленного солнечного ветра
Но одна часть наблюдений не соответствовала предыдущим теориям. Согласно существующему пониманию, корональный дождь образуется только в замкнутых контурах, где плазма может собираться и охлаждаться без каких-либо средств спасения. Но когда Мейсон проанализировал данные, она обнаружила случаи, когда на открытых линиях магнитного поля образовывался дождь. Прикрепленный к Солнцу только на одном конце, другой конец этих линий открытого поля вышел в космос, и плазма там могла улететь в солнечный ветер. Чтобы объяснить аномалию, Мейсон и его команда разработали альтернативное объяснение, которое связывало дождь на этих крошечных магнитных структурах с происхождением медленного солнечного ветра.
В новом объяснении, дождевая плазма начинает свое путешествие по замкнутому контуру, но переключается — через процесс, известный как магнитное пересоединение, — на открытый. Это явление часто происходит на Солнце, когда замкнутый контур сталкивается с линией открытого поля, и система перестраивается. Внезапно перегретая плазма в замкнутом контуре оказывается на линии открытого поля, как поезд, который переключил пути. Часть этой плазмы будет быстро расширяться, охлаждаться и падать обратно на Солнце в виде коронального дождя. Но другие его части вырвутся, образуя, как они подозревают, одну часть медленного солнечного ветра.
Мейсон в настоящее время работает над компьютерной симуляцией нового объяснения, но она также надеется, что скоро появившиеся данные наблюдений могут подтвердить это. Теперь, когда Solar Park Probe, запущенный в 2018 году, путешествует ближе к Солнцу, чем любой космический корабль до него, он может лететь сквозь всплески медленного солнечного ветра, которые можно проследить до Солнца — потенциально, до одного из событий коронального дождя Мейсона. После наблюдения коронального дождя на линии открытого поля уходящая плазма, уходящая к солнечному ветру, обычно теряется для потомков. Но больше не «Потенциально мы можем установить связь с Parker Solar Probe и сказать, что это так», — сказал Виалл.
Копаем данные
Как найти корональный дождь в шлеме стримеров? Поиски продолжаются. Моделирование ясно: дождь должен быть там. «Может быть, он такой маленький, что его не видно?» сказал Антиохос. «Мы действительно не знаем».
Но с другой стороны, если бы Мейсон нашел то, что искал, он, возможно, не сделал бы открытия — или потратил бы все это время на изучение входов и выходов солнечных данных.
«Это звучит как уловка, но, честно говоря, это моя любимая вещь», — сказал Мейсон. «Я имею в виду, что именно поэтому мы создали что-то, что снимает так много изображений Солнца: чтобы мы могли взглянуть на них и разобраться».
