Ученые изучают формирование солнечного ветра по перышкам на поверхности Солнца

Ученые объединили данные НАСА и передовые технологии обработки изображений, чтобы по-новому взглянуть на солнечные структуры, которые создают поток высокоскоростного солнечного ветра, что подробно описано в новом исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal. Этот первый взгляд на относительно небольшие объекты, получившие название «перышки», может помочь ученым понять, как и почему возникают возмущения в солнечном ветре.

Магнитное влияние Солнца простирается на миллиарды километров, далеко за пределы орбиты Плутона и планет. Солнечный ветер, этот постоянный отток солнечного материала переносит магнитное поле Солнца в космос, где оно формирует окружающую среду вокруг Земли, других миров и в недрах глубокого космоса. Изменения в солнечном ветре могут создавать эффекты космической погоды, которые влияют не только на планеты, но также на людей и роботов-исследователей по всей Солнечной системе – и эта работа предполагает, что относительно небольшие, ранее не исследованные объекты вблизи поверхности Солнца могут сыграть решающую роль в характеристиках солнечного ветра.

«Это показывает важность мелкомасштабных структур и процессов на Солнце для понимания крупномасштабной системы солнечного ветра и космической погоды”, – сказал Вадим Урицкий, ученый из Католического университета Америки и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА, который руководил исследованием.

Как и весь солнечный материал, состоящий из типа ионизированного газа, называемого плазмой, солнечный ветер контролируется магнитными силами. И магнитные силы в атмосфере Солнца особенно сложны: поверхность Солнца пронизана постоянно меняющейся комбинацией замкнутых контуров магнитного поля и открытых линий магнитного поля, которые простираются в Солнечную систему.

Солнце и солнечный ветер
Солнечный шлейф на Солнце с увеличенной вставкой, показывающей нити материала, из которых состоит шлейф.
Ученые использовали обработку изображений Солнца с высоким разрешением, чтобы выявить отчетливые «перья» внутри структур на Солнце. Солнце в виде полного диска и левая часть вставленного изображения были получены обсерваторией солнечной динамики НАСА на длине волны экстремального ультрафиолетового света и обработаны для уменьшения шума. Правая сторона вставки была дополнительно обработана, чтобы выделить мелкие детали на изображениях, показывая края перьев во всех деталях. Эти перья могут помочь ученым понять, как и почему возникают возмущения в солнечном ветре.

Именно по этим открытым линиям магнитного поля солнечный ветер уходит от Солнца в космос. Области открытого магнитного поля на Солнце могут создавать корональные дыры, пятна с относительно низкой плотностью, которые выглядят как темные пятна на некоторых ультрафиолетовых изображениях Солнца. Часто в эти корональные дыры встроены гейзеры солнечного материала, которые текут от Солнца в течение нескольких дней, называемые шлейфами. Эти солнечные шлейфы кажутся яркими в ультрафиолетовых лучах Солнца, что делает их легко видимыми для обсерваторий, таких как NASA Solar Dynamics Observatory, спутников и других космических аппаратов и инструментов. Как области с особенно плотным солнечным материалом в открытом магнитном поле, шлейфы играют большую роль в создании высокоскоростного солнечного ветра, а это означает, что их атрибуты могут формировать характеристики самого солнечного ветра.

Используя наблюдения с высоким разрешением со спутника NASA Solar Dynamics Observatory, или SDO, а также метод обработки изображений, разработанный для этой работы, Урицкий и его коллеги обнаружили, что эти шлейфы на самом деле состоят из гораздо более мелких нитей материала, которые они называют перьями. Хотя на изображениях SDO весь шлейф простирается примерно на 100000 км, ширина каждого шлейфа составляет всего несколько тысяч километров, от 3700 при наименьшем значении до 7200 км для самых широких наблюдаемых перьев.

Хотя более ранние работы намекали на структуру внутри солнечных шлейфов, это первый раз, когда ученые наблюдали за перьями в четком фокусе. Методы, использованные для обработки изображений, уменьшили «шум» на изображениях Солнца, создав более четкое изображение, на котором отчетливо видны перья и их тонкие изменения.

Их работа, сфокусированная на солнечном шлейфе, наблюдавшемся 2-3 июля 2016 г., показывает, что яркость шлейфа почти полностью зависит от отдельных перьев, без особого дополнительного пуха между структурами. Это говорит о том, что перья – это не просто элемент более крупной системы перьев, а скорее строительные блоки, из которых состоят перья.

«Некоторое время люди видели структуру внутри и у основания шлейфов, – сказала Джуди Карпен, один из авторов исследования и руководитель Лаборатории космической погоды в Отделе гелиофизических наук в Годдарде. – Но мы обнаружили, что сам шлейф представляет собой пучок этих более плотных струящихся перьев, что сильно отличается от изображения перьев, которое мы имели раньше».

Они также обнаружили, что перышки движутся индивидуально, каждое из которых колеблется само по себе, что позволяет предположить, что мелкомасштабное поведение этих структур может быть основной причиной нарушений в солнечном ветре, в дополнение к их коллективному крупномасштабному поведению.

Поиск сигнатур перьев

Процессы, которые создают солнечный ветер, часто оставляют следы в самом солнечном ветре – изменения скорости ветра, его состава, температуры и магнитного поля, которые могут дать ключ к разгадке основ физики Солнца. Солнечные перья также могут оставлять такие отпечатки пальцев, раскрывая их точную роль в создании солнечного ветра, хотя их поиск и интерпретация могут оказаться сложной задачей.

Одним из ключевых источников данных будет зонд НАСА Parker Solar Probe , который пролетел ближе к Солнцу, чем любой другой космический корабль – достигнув к концу своей миссии расстояний около 6 миллионов километров от поверхности Солнца – и фиксирует измерения солнечного ветра с высоким разрешением. Его наблюдения, более близкие к Солнцу и более подробные, чем в ходе предыдущих миссий, могли выявить следы перьев.

Фактически, одно из первых и неожиданных открытий Parker Solar Probe может быть связано с перьями. Во время своего первого пролета вокруг Солнца в ноябре 2018 года зонд Parker Solar Probe заметил внезапные изменения направления магнитного поля солнечного ветра на противоположные, получившие название «обратного хода». Причина и точная природа обратного переключения все еще остается загадкой для ученых, но небольшие структуры, такие как перья, могут давать аналогичные сигнатуры.

Анимация, показывающая S-образные изломы магнитного поля, исходящего от Солнца
Во время своего первого пролета вокруг Солнца в ноябре 2018 года зонд НАСА Parker Solar Probe заметил обратное переключение – внезапное изменение магнитного поля солнечного ветра, как показано здесь. Недавно наблюдаемые солнечные шлейфы могут иметь сходные сигнатуры с обратным переключением.

Обнаружение сигнатур перьев внутри самого солнечного ветра также зависит от того, насколько хорошо эти отпечатки пальцев переживают свое путешествие от Солнца – или будут ли они размазаны где-нибудь на миллионах километров, которые они проходят от Солнца до наших обсерваторий в космосе.

Оценка этого вопроса будет опираться на удаленные обсерватории, принадлежащие как ЕКА, так и НАСА , которые уже сделали самые близкие изображения Солнца, в том числе подробный вид солнечной поверхности – изображения, которые будут только улучшаться по мере приближения космического корабля к Солнцу. Предстоящая миссия НАСА PUNCH, возглавляемая Крейгом ДеФорестом, одним из авторов исследования перьев, изучит, как атмосфера Солнца переходит в солнечный ветер, а также может дать ответы на этот вопрос.

«PUNCH будет непосредственно наблюдать, как атмосфера Солнца переходит в солнечный ветер, – сказал Урицкий. – Это поможет нам понять, могут ли перышки выжить, когда они распространяются от Солнца, – если они действительно попадут в солнечный ветер».

Читайте обзоры:

-->