На Солнце нашли вихри размером с город. Раньше их просто не видели
На пороге затмения 12 августа Солнце раскрывает одну из своих главных тайн
Осталось всего несколько дней. Ближайшего 12 августа половина Испании погрузится во тьму - это будет самое зрелищное полное солнечное затмение в нашей стране за последние 114 лет. Ожидания, разумеется, огромны. И в качестве закуски перед этим астрономическим пиршеством Национальная солнечная обсерватория Национального научного фонда США (NSF) только что преподнесла нам беспрецедентное открытие. В исследовании, только что опубликованном в журнале "Nature", учёные представили фотографии солнечной поверхности с самым высоким разрешением из существующих на сегодняшний день.
Эти снимки поражают не только своей красотой - в них скрыт ключ к загадке, которая десятилетиями ставила в тупик астрофизиков. Поверхность нашей звезды (фотосфера) вовсе не гладкая и спокойная, а кипящий и хаотичный котёл плазмы и яростных магнитных полей. И теперь, благодаря непревзойдённой мощи солнечного телескопа имени Дэниела К. Иноуэ, установленного на вершине вулкана Халеакала на Гавайях, международная группа исследователей смогла заглянуть в этот ад с невиданной прежде детализацией, обнаружив то, что до сих пор было невидимо человеческому глазу: армию крошечных вращающихся вихрей, действующих на границах самых мощных магнитных областей.
Гигантские волны в море плазмы
В своём исследовании учёные безошибочно установили, что речь идёт о явлении, известном как "неустойчивость Кельвина-Гельмгольца" (KHI). Звучит ужасно сложно, но на самом деле это давний знакомый классической физики жидкостей, описанный лордом Кельвином и Германом фон Гельмгольцем ещё в 1870 году. Видели ли вы когда-нибудь, как ветер поднимает маленькие волны на поверхности взволнованного озера или как в земном небе образуются облака в форме спирали? Это и есть неустойчивость KHI, и она возникает, когда две жидкости (или в данном случае - огромные слои раскалённой солнечной плазмы) скользят друг рядом с другом с разными скоростями, создавая между собой огромное "трение". Из-за этого малые возмущения нарастают до образования спиральных вихрей, очень похоже на морские волны, разбивающиеся о берег.
Поверхность нашей звезды - не спокойное море, а кипящий и хаотичный котёл плазмы и яростных магнитных полей.
Мы полагаем, что открытие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца в солнечной фотосфере, подтверждённое анализом численных моделирований, - это большой шаг вперёд в понимании динамики и эволюции солнечной и звёздной плазмы, и оно послужит основой для будущих открытий.
Дэвид Боболц, заместитель директора Национальной солнечной обсерватории, соавтор исследования
Этот крупный план демонстрирует необычайное пространственное разрешение наблюдений. На врезке выделены деформированные магнитные границы и сверхтонкие тёмные полосы (признаки неустойчивости Кельвина-Гельмгольца) в масштабе десятков километров. NSF/NSO/AURA/MPS
Но почему же так важны эти вихри, средняя дистанция между которыми, или "длина волны неустойчивости", составляет всего от 50 до 65 километров - мелочь в солнечном масштабе? Ответ кроется в их огромной способности действовать как "двигатели". Годами астрофизики ломали голову, пытаясь понять, как Солнце накапливает магнитную энергию, которую затем высвобождает в виде чудовищных вспышек и корональных выбросов массы. Эти экстремальные события и есть подлинные движущие силы космической погоды - они способны выбрасывать в сторону Земли залпы смертоносной энергии, которые серьёзно угрожают нашим спутникам, электросетям, системам навигации GPS и глобальной связи.
"Коса" на грани разрыва
Основная теория предполагает, что линии солнечного магнитного поля закручиваются одна вокруг другой - точно так же, как когда мы заплетаем косу. По мере того как коса натягивается всё сильнее, система становится всё более и более неустойчивой. Когда это напряжение резко высвобождается, магнитные линии "взрываются", пересекаются и вновь соединяются в новых формах, выпуская в пространство колоссальное количество энергии. Проблема была в том, что никто точно не знал, что именно заставляет эту "косу" начать закручиваться. Теперь загадка начинает проясняться. Более того, эти маленькие вихревые узоры KHI, постоянно возникающие по всей солнечной поверхности, могут быть первичным двигателем, который закручивает линии и запускает весь процесс.
Линии солнечного магнитного поля закручиваются одна вокруг другой, точно так же, как когда мы заплетаем косу, пока внезапно не взрываются.
Мы находимся лишь в самом начале понимания того, какое далеко идущее влияние оказывает открытие неустойчивости Кельвина-Гельмгольца на наше понимание связи между движением намагниченной плазмы и переносом и высвобождением энергии в верхнюю солнечную атмосферу.
Фридрих Вёгер, старший научный сотрудник Национальной солнечной обсерватории, соавтор исследования
Со своей стороны, соавтор Маттиас Ремпель из Высокогорной обсерватории заявляет: "Очень волнительно видеть, что наблюдения солнечной фотосферы с самым высоким разрешением выявили новый динамический режим в виде вихрей KH. Эти наблюдения также обеспечивают самую высокоточную на сегодняшний день проверку солнечных магнитогидродинамических моделей, и совпадение в физических деталях впечатляет".
Загадка раскалённой короны
Открытие также проливает свет на другую из великих загадок астрофизики: почему солнечная корона (самая внешняя часть её атмосферы) нагрета до миллионов градусов - гораздо сильнее, чем сама поверхность, температура которой "всего лишь" около 5500 градусов.
Томас Риммеле, главный технолог проекта, формулирует это чётко: "Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца - вероятно, один из механизмов, способствующих нагреву внешней атмосферы, и это часть решения давней загадки о том, почему у звёзд есть горячая корона в миллион градусов Кельвина".
Кроме того, эти вихри действуют как гигантский солнечный "миксер", эффективно перемешивая намагниченную плазму с ненамагниченной. У Солнца поразительно быстрый по космическим меркам магнитный цикл - всего 11 лет. Чтобы это происходило, генерируемый магнитный поток должен рассеиваться с большой эффективностью, а нынешние компьютерные модели не могли объяснить это в точности. "Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, которую мы обнаружили в солнечной фотосфере, может выступать ключевым источником этой недостающей нам магнитной диффузии", - заключает Дэвид Куридзе, астроном NSO.
На пороге того, как вся Испания посмотрит в небо, чтобы насладиться грандиозным зрелищем полного затмения, Солнце напоминает нам, что оно всё ещё хранит завораживающие секреты. Благодаря передовым технологиям и зеркалам диаметром четыре метра мы наконец начинаем расшифровывать сложную партитуру магнитного танца, управляющего нашей звездой. И это, уверяют эксперты, только начало.
Крупнейший солнечный телескоп разглядел, что ровные границы между потоками плазмы на поверхности Солнца на самом деле набиты завихрениями. Мелкими, разумеется, по солнечным меркам: от 25 до 170 километров в поперечнике. Самый скромный можно положить поверх небольшого города, и ещё останется.
Появляются они там, где соседние потоки плазмы движутся с разной скоростью и начинают закручиваться, как волны или облака на Земле. Только здесь эта возня заодно гнёт магнитное поле звезды. Учёные подробно разобрали 47 таких вихрей, а самые маленькие удалось увидеть буквально на пределе возможностей телескопа - при разрешении около 19 километров.
Возможно, именно эти завихрения постоянно скручивают магнитные линии и помогают накапливать энергию для солнечных вспышек. Пока это не разгадка всех великих тайн Солнца, как бодро обещают заголовки, а только один найденный механизм. Но масштаб хороший: будущая солнечная вспышка вполне может начинаться с завитка плазмы размером с обычный город. А нам в довесок к красочным снимкам досталось и видео с самыми детальными на сегодня кадрами поверхности Солнца.