Поиск - новости науки и техники

Шапка горит!

Раскрыта главная тайна атмосферы Солнца

Сергей Богачев

Ученые Физического института им. П.Н.Лебедева РАН пролили свет на одну из ключевых проблем астрофизики: каким образом накаляется верхний слой атмосферы Солнца, так называемая корона, и что за яркие точки то и дело вспыхивают вблизи солнечной поверхности.
Солнце – крупнейший объект Солнечной системы диаметром 1,5 миллиона километров, масса которого более чем в 100 раз превышает суммарную массу всех планет. Что же происходит на этом исполинском космическом шаре и в его окрестностях? По мнению астрофизиков, там то и дело гремят взрывы, суммарная энергия которых столь велика, что их отголоски в разных формах ощущаем даже мы, земляне, живущие на расстоянии 150 миллионов километров. Один такой взрыв, он же – вспышка, высвобождает энергию, в десятки миллионов раз превышающую годовое энергопотребление человечества. Облака же выброшенной раскаленной плазмы могут расширяться до размеров более 100 миллионов километров, что сравнимо с параметрами земной орбиты. Их удары о магнитосферу нашей планеты являются в числе прочего главной причиной магнитных бурь.
Долгое время внимание ученых, очарованных столь масштабными процессами, было сосредоточено именно на них. А мелкие события, которые происходят в миллионы раз чаще, попросту игнорировались. Неразгаданной оставалась одна из главных загадок: почему внешний слой атмосферы Солнца, именуемый короной, намного горячее, чем его поверхность? Если внизу температура составляет «всего» 5500оС, то наверху – более 1 000 000оС. Каков же механизм чудовищного разогрева короны? Считается доказанным, что энергии крупномасштабной солнечной активности для этого не хватает. Ученые пытаются найти другие объяснения. По одной из основных версий, в большом пожаре, полыхающем в солнечной «шапке», виноваты микро- и нановспышки.
Эти события впервые три десятилетия назад описал американский астроном Юджин Паркер, предсказавший существование чрезвычайно слабых, по солнечным меркам вспышечных явлений. В современной физике Солнца им даны довольно строгие определения. Так, события с полной энергией от 1024 до 2027 эрг называют нановспышками. Более крупные – с энергией в диапазоне от 1027 до 1030 эрг – микровспышками. При этом приставки «микро» и «нано» не должны вводить в заблуждение. В каждой нановспышке средней силы высвобождается энергия, которой человечеству могло бы хватить более чем на год. Тем не менее эти события в десятки миллионов раз слабее обычных вспышек.
Но они ли играют решающую роль в раскаливании короны? Ответ на этот вопрос при поддержке Российского научного фонда (проект №17-12-01567) ищет группа ученых лаборатории рентгеновской астрономии Солнца Физического института им. П.Н.Лебедева Российской академии наук под руководством профессора РАН, доктора физико-математических наук Сергея БОГАЧЕВА. За первые два года работы по проекту исследователями опубликованы 11 статей в солидных научных журналах, в том числе шесть – в изданиях, занимающих верхние строчки международных рейтингов.
В своих исследованиях ученые опирались на доказанный наукой факт: при определенных обстоятельствах общая энергетика микро- и нановспышек может конкурировать с энергетикой обычных вспышек.

В теории вычислить, какие вспышки сильнее нагревают корону, несложно, – рассказывает С.Богачев. – Предположим, мы обнаружили класс микрособытий, в каждом из которых выделяется одна десятая доля от энергии обычной вспышки. Теперь подсчитаем темп формирования таких событий и, допустим, увидим, что они происходят в двадцать раз чаще, чем обычные вспышки. Умножая 1/10 на 20, получим, что, несмотря на низкую энергию каждой отдельной маленькой вспышки, их полный вклад в солнечную активность в два раза превысит вклад крупномасштабной активности. Таким образом, чтобы ответить на вопрос о значении микрособытий, потребовалось аккуратно измерить и подсчитать число этих событий в разных диапазонах и построить график их распределения по энергиям. Предположив, что это распределение имеет предсказуемый характер, его можно продлить в область совсем низких, практически невидимых энергий и оценить вклад от всех событий, включая те, которые, в принципе, невозможно пока обнаружить.
Попытки выполнить такие расчеты делались и раньше, но по менее точным экспериментальным данным, поэтому результаты получались противоречивые.
Ученым ФИАН удалось собрать данные по 100 тысячам нановспышек, что на порядок больше, чем полное число событий, обнаруженных за все предыдущие годы. Был измерен поток формируемого ими излучения и построен наиболее точный на текущий момент график распределения вспышек по энергиям. Это и позволило ответить на главный вопрос: где же все-таки, в обычных или в микрособытиях, спрятана основная энергия солнечной активности? Оказалось, что все же в микро.
По подсчетам ученых, при уменьшении энергии вспышки в 10 раз число таких вспышек возрастает примерно в 30 раз, а их общая энергия – соответственно в три раза! Эта зависимость была прослежена до энергий 1023 эрг, то есть до событий, в 10 раз более слабых, чем нановспышки. При этом был обнаружен и любопытный «побочный» эффект: темп солнечной микроактивности уменьшается в максимуме 11-летнего солнечного цикла и увеличивается в минимуме.

Это может быть связано с тем, что часть энергии при переходе солнечной активности от минимума к росту начинает перераспределяться в пользу больших вспышек. Такой эффект предсказывался, но экспериментально был обнаружен впервые, – отмечает С.Богачев. – Следует обратить внимание и еще на одно обстоятельство. Если просуммировать всю энергию мелкомасштабной активности в исследованном нами диапазоне, до 1023 эрг, то она на два порядка превысит суммарную энергию больших вспышек, но все равно будет недостаточной для нагрева короны. Другое дело, если продлить распределение вспышек до 1021 эрг. В этом случае полная энергия точно совпадет с той, что необходима. Возможно, это первое экспериментальное указание, что в дополнение к обнаруженным микро- и нановспышкам происходят и совсем мелкомасштабные события, которые можно назвать «пиковспышками». Если так, то именно они оказываются носителями основного запаса солнечной энергии. Правда, чтобы обнаружить их, потребуется разглядеть явления масштабом несколько десятков километров. Но это, к сожалению, в разы превышает возможности современных средств наблюдения.
Переходя в область столь «скромных» размеров и низких энергий, ученые сталкиваются с совсем неожиданными вопросами, в частности, о том, что же вообще они видят. Даже на изображениях, полученных с наиболее точных космических телескопов, лучшим из которых сейчас является AIA на борту спутника SDO (НАСА), типичная нановспышка выглядит как черная точка. Никаких деталей этого события разглядеть пока не получается. Даже само название «вспышка» является, скорее, данью традиции, чем отражением реальной природы этого явления. Действительно, попробуй разберись по каким-то точкам, что же там происходит на самом деле. Но команда фиановцев рассчитывает разобраться.

Идея, которую мы проверяем, достаточно проста, – говорит С.Богачев. – Главным признаком солнечной вспышки является то, что ее энергия черпается из магнитного поля определенным способом, называемым «пересоединением». При этом важно, что, хотя нановспышка – это точечное явление, процесс, вызывающий пересоединение, более крупномасштабный. Как мы рассуждали? Если нельзя увидеть, что происходит во вспышке, давайте посмотрим, что происходит вокруг нее. Если заметим в окружающих магнитных полях изменения, схожие с теми, которые наблюдаются в обычных, больших, вспышках, это будет хотя и косвенным, но достаточно убедительным свидетельством вспышечной природы солнечной микроактивности.
Проблема в том, что эти изменения поля должны быть чрезвычайно слабы, на пределе чувствительности имеющегося в распоряжении ученых оборудования. Можно ли вообще их «выловить»? Оказалось, можно. Исследователи провели кропотливый анализ множества изображений и тщательный многоступенчатый отбор событий-кандидатов в нановспышки.

Никакое статистическое исследование, подобное описанному выше, здесь было невозможно, – комментирует С.Богачев. – Речь шла о том, чтобы найти хотя бы одно доказательство. И удача нам улыбнулась. Мы обнаружили событие, нановспышку, для которой связь между изменениями магнитного поля и собственно вспышкой удалось доказать практически неопровержимо. Больше того, нам удалось промоделировать магнитное поле нановспышки с помощью стандартных моделей, разработанных для обычных вспышек. Это позволило теоретически предсказать место основного энерговыделения, его динамику и полную выделенную энергию. Все эти предсказания полностью совпали с результатами измерений. Это очень серьезный аргумент в пользу того, что мелкомасштабная активность Солнца имеет ту же самую природу, что и крупномасштабная, – разница лишь в размерах и временах, но не в физике.
Что же, похоже, мы действительно присутствуем при развороте солнечной физики, возможно, одном из самых крутых в ее истории – от изучения Солнца как гигантского астрономического объекта к исследованию микроскопических событий, происходящих на масштабах в сотни или даже десятки километров. Позволит ли этот подход найти ответы на многочисленные вопросы, которые много веков не дают покоя астрономам и астрофизикам? Исследования команды С.Богачева открывают такую перспективу.

Наталья БЫКОВА

Нет комментариев