Новое исследование, опубликованное в Nature Astronomy, знаменует собой первый раз, когда исследователи зафиксировали полный жизненный цикл предполагаемой нановспышки – от яркого происхождения до безумной гибели.
Мини-ракеты для большой головоломки
Нановспышки – это крошечные извержения на Солнце, в одну миллиардную размера обычных солнечных вспышек. Юджин Паркер, известный своей компанией Parker Solar Probe, впервые предсказал еще в 1972 году, что они решат главную загадку: проблему нагрева короны.
Это загадка того, почему внешняя атмосфера Солнца, или корона, становится настолько невероятно горячей. Несмотря на то, что она находится намного дальше от ядра Солнца, она на миллионы градусов горячее, чем слои под ним.
Спустя почти 50 лет проблема нагрева короны все еще не решена. Было трудно подтвердить какую-либо из нескольких различных теорий, отчасти потому, что на самом деле никто никогда не видел нановспышки.
«Их чрезвычайно трудно наблюдать», – сказал Шах Бахауддин, исследовательский факультет Лаборатории атмосферной и космической физики Университета Колорадо, Боулдер, и ведущий автор исследования.
Крошечные и короткие, наши лучшие телескопы только недавно стали достаточно мощными, с высоким разрешением. И увидеть крошечную вспышку недостаточно – это требует много времени, чтобы считаться настоящим прицелом с помощью нановспышки.
«Теоретически мы знаем, что нам следует искать – какой отпечаток оставит нановспышка», – отметил Бахауддин.
Нановспышка под любым другим названием
Чтобы сказать, что вы наблюдали нановспышку, нагревающую корону, вы должны отметить как минимум два основных флажка.
Во-первых, как и обычные вспышки, нановспышка зажигается магнитным пересоединением. Если наблюдаемое вами извержение вызвано каким-то другим процессом, это не нановспышка.
Магнитное пересоединение запускается, когда силовые линии магнитного поля резко меняются. В отличие от других механизмов, которые нагревают вещи постепенно, он может взять относительно холодную плазму и мгновенно сделать ее очень горячей.
«Это как если сложить два кубика льда, и внезапно температура поднимется до 1000 градусов», – сказал Бахауддин.
Один из способов точечного нагрева посредством магнитного пересоединения – это наблюдение сильного тепла в гораздо более прохладной окружающей среде.
Во-вторых, нановспышка должна нагреть корону, которая может находиться на тысячи миль выше места извержения. Это нетривиально – многие другие солнечные извержения только нагревают свое непосредственное окружение.
«Вы должны проверить, может ли энергия от нановспышки рассеиваться в короне, – говорит Бахауддин. – Если энергия уходит куда-то еще, это не решает проблему нагрева короны».
Противоречивое открытие становится ключевым элементом головоломки
Когда Бахауддин начал это исследование, будучи аспирантом, он вообще не думал о нановспышках. В поисках проекта он решил исследовать несколько крошечных ярких петель – около 60 миль в поперечнике, они крошечные по шкале Солнца – которые он заметил мерцающими в слое чуть ниже сверхгорячей короны.
«Я подумал, может быть, петли делают окружающую атмосферу немного горячее, – рассказывает он. – Я никогда не думал, что она будет производить столько энергии, что действительно может направить горячую плазму к короне и нагреть ее».
Но когда Бахауддин увеличил изображение, полученное с помощью спектрографа изображения области интерфейса НАСА или спутника IRIS, он обнаружил два сюрприза.
Во-первых, эти петли были невероятно горячими – на миллионы градусов горячее, чем их окрестности.
Но что еще более странно, это тепло распределялось необычным образом – иначе, чем в большинстве других физических систем.
Хотя Солнце состоит в основном из водорода и гелия, оно также содержит меньшие количества всех остальных элементов. В этих петлях каким-то образом более тяжелые элементы, такие как кремний, в ядре которого 14 протонов, были намного горячее и энергичнее, чем более легкие элементы, такие как кислород, у которого их всего восемь.
«Если вы толкнете по полу очень легкий мяч, он должен катиться дальше, чем тяжелый мяч, – подчеркивает Бахауддин. – Тем не менее, в нашем случае более тяжелые элементы стреляли со скоростью около 60 миль в секунду, а более легкие – почти на нуле. Это было совершенно нелогично».
Это странное наблюдение подсказало им, что в этих ярких петлях должно происходить что-то очень специфическое.
«Это была большая подсказка, – сказала Эми Вайнбарджер, физик Солнца из Центра космических полетов НАСА им. Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, и соавтор исследования. – Вы действительно должны были начать думать о том, какой вид нагрева может повлиять на атом кислорода иначе, чем на атом кремния».
Следующие годы Бахауддин провел компьютерное моделирование, проверяя различные механизмы нагрева. Ему нужно было найти тот, который соответствовал бы их наблюдениям, включая нагрев более тяжелых элементов больше, чем более легких.
В конце концов, эффект мог дать только один нагревательный механизм. Тепло должно было исходить от события магнитного пересоединения – той же движущей силы, что и солнечные вспышки.
Ключ был в последствиях. Когда силовые линии магнитного поля скручиваются и перестраиваются, они создают кратковременный электрический ток, который ускоряет недавно освобожденные ионы. Бахауддин сравнивает это с панической толпой.
«Как будто все в комнате пытаются бежать одновременно. Они начинают сталкиваться друг с другом, и возникает большой беспорядок», – сказал Бахауддин.
Важно отметить, что чем дольше ион может двигаться в электрическом поле, тем больше энергии он получает. Вот где более тяжелые ионы, такие как кремний, имеют преимущество.
«Поскольку у них больше импульса, они могут пробиться сквозь толпу и украсть всю доступную энергию», – заявил Бахауддин.
Другими словами, более массивные ионы кремния прокладывали себе путь сквозь хаос, поглощая энергию электрического поля. Более легкие ионы кислорода не могли этого сделать – они останавливались на месте после каждого столкновения.
Этот механизм мог объяснить их результаты, но, тем не менее, он был долгим. Моделирование показало, что этот процесс происходит только при вполне определенных условиях.
«Чтобы это произошло, вам нужна была определенная температура и правильное соотношение кремния и кислорода, – сказал Бахауддин. – Итак, мы посмотрели на измерения и увидели, что числа точно совпадают».
Примечательно, что условия на Солнце отражали его модели.
Нагрев короны
До сих пор эти яркие петли казались крошечными вспышками – но действительно ли их тепло достигло короны?
Бахауддин обратился к Обсерватории солнечной динамики НАСА , в которой установлены телескопы, настроенные на наблюдение чрезвычайно горячей плазмы, обнаруживаемой только в короне. Бахауддин обнаружил области прямо над просветлениями вскоре после их появления.
«И это было всего лишь 20-секундная задержка, – подчеркивает Бахауддин. – Мы увидели прояснение, а затем мы внезапно увидели, что корона перегрелась до многомиллионных градусов. SDO предоставила нам эту важную информацию: да, это действительно увеличивает температуру, передавая энергию короне».
Бахауддин задокументировал 10 случаев ярких петель с аналогичным воздействием на корону. Тем не менее, он не решается называть их нановспышками.
«На самом деле никто не знает, потому что никто этого раньше не видел, – отмечает Бахауддин. – Скажем так, это обоснованное предположение».
С точки зрения теории, согласно которой нановспышки нагревают корону, остается только показать, что это повышение яркости происходит достаточно часто по всему Солнцу, чтобы объяснить чрезвычайно высокую температуру короны. Это все еще продолжается. Но наблюдение за этими крошечными всплесками, нагревающими солнечную атмосферу, – отличное начало.
«Мы показали, как холодная низколежащая структура может на самом деле поставлять сверхгорячую плазму в корону, – добавил Бахауддин. – Для меня это было самым прекрасным».
