Миссии НАСА создают беспрецедентную карту магнитного поля Солнца

В течение десятилетий после ее открытия наблюдатели могли видеть солнечную хромосферу только в течение нескольких мимолетных мгновений: во время полного солнечного затмения, когда яркое красное свечение окружало силуэт Луны.

Хромосфера во время солнечного затмения
Хромосфера, сфотографированная во время полного солнечного затмения 1999 года. Красные и розовые оттенки – свет, излучаемый водородом – дали ему название хромосфера от греческого «chrôma», что означает цвет.
Фото: Люк Виатур

Спустя более ста лет хромосфера остается самым загадочным из атмосферных слоев Солнца. Зажатая между яркой поверхностью и эфирной солнечной короной, внешней атмосферой Солнца, хромосфера – это место быстрых изменений, где температура повышается, а магнитные поля начинают доминировать над поведением Солнца.

Теперь впервые сразу три миссии НАСА заглянули в хромосферу, чтобы получить измерения ее магнитного поля на нескольких высотах. Наблюдения, сделанные двумя спутниками и миссией Хромосферного слоя Spectropolarimeter 2 или CLASP2, на борту небольшой суборбитальной ракеты, помогают выявить, как магнитные поля на поверхности Солнца вызывают яркие извержения во внешней атмосфере. Статья была опубликована в журнале Science Advances.

Основная цель гелиофизики – науки о влиянии Солнца на космос, включая планетные атмосферы – состоит в том, чтобы предсказать космическую погоду , которая часто начинается на Солнце, но может быстро распространяться в космосе, вызывая сбои на Земле.

Эти солнечные извержения движут магнитным полем Солнца, невидимыми силовыми линиями, простирающимися от поверхности Солнца в космос далеко за Землей. Это магнитное поле трудно увидеть – его можно наблюдать только косвенно, с помощью света плазмы или перегретого газа, который очерчивает свои линии, как фары автомобилей, движущихся по далекой дороге. Тем не менее, то, как эти магнитные линии располагаются – будь то слабые и прямые или тугие и запутанные, – определяет разницу между спокойным Солнцем и солнечным извержением.

«Солнце одновременно красивое и загадочное, с постоянной активностью, вызванной его магнитными полями», – отметил Рёхко Исикава, физик Национальной астрономической обсерватории Японии в Токио и ведущий автор статьи.

В идеале исследователи могли бы считывать силовые линии магнитного поля в короне, где происходят солнечные извержения, но плазма слишком разреженная для точных измерений. (Плотность короны намного меньше миллиардной плотности воздуха на уровне моря.)

Вместо этого ученые измеряют более плотно упакованную фотосферу – видимую поверхность Солнца – двумя слоями ниже. Затем они используют математические модели для распространения этого поля вверх в корону. Этот подход пропускает измерение хромосферы, которая находится между ними, вместо этого в надежде смоделировать ее поведение.

Слои Солнца
Хромосфера находится между фотосферой или яркой поверхностью Солнца, излучающей видимый свет, и перегретой короной или внешней атмосферой Солнца в источнике солнечных извержений. Хромосфера – ключевое звено между этими двумя регионами и недостающая переменная, определяющая магнитную структуру Солнца.
Рисунок: Центр космических полетов Годдарда НАСА

К сожалению, хромосфера оказалась подстановочным знаком, когда линии магнитного поля перестраиваются таким образом, что трудно предвидеть. Модели изо всех сил пытаются уловить эту сложность.

«Хромосфера – это горячий беспорядок, – сказала Лорел Рахмелер, бывший научный сотрудник NASA по проекту CLASP2, ныне работающая в Национальном управлении океанических и атмосферных исследований (NOAA). – Мы делаем упрощающие предположения о физике фотосферы и отдельные предположения о короне. Но в хромосфере большинство из этих предположений не работает».

Учреждения в США, Японии, Испании и Франции работали вместе, чтобы разработать новый подход к измерению магнитного поля хромосферы, несмотря на его беспорядок. Модифицировав инструмент, который летал в 2015 году , они установили свою солнечную обсерваторию на зондирующей ракете. Такие ракеты запускаются в космос для кратких, несколько минутных наблюдений, прежде чем снова упасть на Землю. Более доступные и более быстрые в сборке и полете, чем более крупные спутниковые миссии, они также являются идеальной площадкой для проверки новых идей и инновационных технологий.

Измерение магнитных полей

Чтобы измерить напряженность магнитного поля, команда использовала эффект Зеемана. Первое применение эффекта Зеемана к Солнцу астрономом Джорджем Эллери Хейлом в 1908 году – это то, как мы узнали, что Солнце имеет магнитное поле. Эффект Зеемана относится к тому факту, что спектральные линии в присутствии сильных магнитных полей разделяются на несколько. Чем дальше они разделяются, тем сильнее магнитное поле.

Хаотическая хромосфера, однако, имеет тенденцию «размазывать» спектральные линии, что затрудняет определение того, насколько далеко они расходятся – вот почему предыдущие миссии испытывали трудности с ее измерением. Новинка CLASP2 заключалась в том, чтобы обойти это ограничение путем измерения «круговой поляризации», тонкого сдвига в ориентации света, который происходит как часть эффекта Зеемана. Тщательно измерив степень круговой поляризации, команда CLASP2 смогла определить, насколько далеко друг от друга должны были разделиться эти размытые линии, и, следовательно, насколько сильным было магнитное поле.

Запущенная с ракетного полигона Уайт-Сэндс в Нью-Мексико, ракета выстрелила на высоту 274 километра, чтобы было видно Солнце над земной атмосферой, которое в противном случае блокирует свет определенных длин волн. Они нацелились на пляж, край «активной области» на Солнце, где напряженность магнитного поля была сильной, идеальной для их датчиков.

Когда CLASP2 смотрел на Солнце, спектрограф изображения области интерфейса НАСА или IRIS и спутник JAXA / NASA Hinode, наблюдающие за Солнцем с орбиты Земли, настроили свои телескопы, чтобы смотреть в одно и то же место. В координации три миссии были сосредоточены на одной и той же части Солнца, но смотрели на разную глубину.

Хиноде сфокусировался на фотосфере, ища спектральные линии нейтрального железа, образовавшегося там. CLASP2 нацелился на три разные высоты в пределах хромосферы, захватив спектральные линии ионизированного магния и марганца. Между тем IRIS измерил линии магния с более высоким разрешением, чтобы откалибровать данные CLASP2. Вместе миссии контролировали четыре различных слоя внутри и вокруг хромосферы.

В конце концов, была получена первая карта магнитного поля хромосферы с разной высотой.

«Когда Рёко впервые показал мне эти результаты, я просто не мог оставаться на своем месте, – сказал Дэвид Маккензи, главный исследователь CLASP2 в Центре космических полетов НАСА имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама. – Я знаю, это звучит эзотерически, но вы только что показали магнитное поле на четырех высотах одновременно. Никто этого не делает! »

Самым поразительным аспектом данных было то, насколько разнообразной оказалась хромосфера. Магнитное поле как вдоль исследуемой ими части Солнца, так и на разных высотах в нем сильно варьировалось.

«На поверхности Солнца мы видим магнитные поля, изменяющиеся на небольших расстояниях; выше эти вариации гораздо более размыты. В некоторых местах магнитное поле не достигало наивысшей точки, которую мы измерили, тогда как в других местах оно все еще оставалось на полную мощность ».

Команда надеется использовать эту технику для магнитных измерений на нескольких высотах, чтобы нанести на карту магнитное поле всей хромосферы. Это не только поможет нам предсказывать космическую погоду, но и даст ключевую информацию об атмосфере вокруг нашей звезды.

«Я корональный физик – меня действительно интересуют магнитные поля наверху, – сказал Рахмелер. – Возможность поднять нашу границу измерения до вершины хромосферы поможет нам понять гораздо больше, поможет нам предсказать гораздо больше – это был бы огромный шаг вперед в физике Солнца».

У них скоро будет шанс сделать этот шаг вперед: повторный полет миссии был одобрен НАСА. Хотя дата запуска еще не назначена, команда планирует использовать тот же инструмент, но с новой техникой, чтобы измерить гораздо более широкий угол обзора Солнца.

«Вместо того, чтобы просто измерять магнитные поля вдоль очень узкой полосы, мы хотим сканировать ее поперек цели и составлять двухмерную карту», ​​- заявил Маккензи.

Читайте обзоры:

-->