Ученые наконец-то зафиксировали явление солнечных волн, которое они искали с 1940-х годов: мелкомасштабные крутильные альфвеновские волны в солнечной короне. Так называемые крутильные альфвеновские волны относятся к вращающимся магнитным волнам, которые распространяются вдоль силовых линий магнитного поля и скручиваются вперед и назад, как скрученная пружина. Считается, что они способны переносить большое количество энергии в солнечной атмосфере.
Этот тип колебаний был впервые предложен шведским физиком Ханнесом Алвином в 1942 году. Последние результаты были подтверждены с использованием самого мощного в мире солнечного телескопа — Солнечного телескопа Дэниела К. Иноуе на Гавайях — и опубликованы в журнале «Nature Astronomy». Ожидается, что это даст ключевые подсказки для решения давней проблемы того, почему корона намного горячее, чем поверхность Солнца.
Солнечная корона — это самая внешняя атмосфера Солнца, простирающаяся на миллионы километров и состоящая из чрезвычайно горячей ионизированной плазмы. Плазма известна как «четвертое состояние» материи. В этом состоянии, после того как атомы приобретают огромное количество энергии, электроны вырываются из ядра, образуя заряженные частицы, в которых сильно доминируют магнитные поля. Для сравнения, температура поверхности видимого света Солнца составляет около 5500 градусов по Цельсию, а температура короны удивительно превышает один миллион градусов по Цельсию. Этот огромный контраст породил знаменитую «проблему нагрева короны». Плазма в короне продолжает течь наружу, образуя сверхзвуковой поток заряженных частиц — солнечный ветер, который заполняет всю Солнечную систему и формирует гелиосферу и может вывести из строя искусственные спутники, навигационные системы и наземные энергосети. То, как корона продолжает набирать достаточно энергии для поддержания таких высоких температур, горячо обсуждается на протяжении десятилетий.
Среди многих теорий альфвеновские волны считаются одним из наиболее важных потенциальных механизмов. В плазменной среде, состоящей из большого количества «трубок потока» (узколучевых магнитных структур, используемых для транспортировки плазмы и энергии), единственной «чистой» альфвеновской модой является торсионная мода, то есть скручивающаяся вокруг оси силовых линий магнитного поля, а не просто раскачивающаяся из стороны в сторону. Эти магнитные структуры действуют как «рельсы», ограничивая движение заряженных частиц, поскольку плазма естественным образом течет вдоль силовых линий магнитного поля. Ричард Мортон, профессор Университета Нортумбрии в Соединенном Королевстве и руководитель этого исследования, сказал: «Это открытие завершает долгосрочные поиски, которые продолжались с 1940-х годов. Мы наконец можем напрямую увидеть крутильное движение линий магнитного поля в короне, скручиваемых вперед и назад».
Прорыв стал возможен благодаря криогенному спектрополяриметру ближнего инфракрасного диапазона (Cryo-NIRSP), оснащенному телескопом Иноуэ. Прибор предназначен для наблюдения чрезвычайно тонких магнитных и плазменных структур в короне. В этом исследовании команда отслеживала сигналы излучения железных элементов, нагретых примерно до 1,6 миллиона градусов по Цельсию, и разработала новые методы анализа, позволяющие отличить скручивающее движение от более распространенного покачивания. Мортон объяснил: «В движении плазмы в короне преобладает покачивание, которое маскирует скручивающее движение, поэтому мне пришлось разработать метод, позволяющий сначала «отслоить» качающийся компонент, прежде чем я смогу определить истинное скручивание».
В отличие от «кинк-волн», которые заставляют всю магнитную структуру раскачиваться из стороны в сторону, крутильные альфвеновские волны в основном вызывают закручивающее движение вокруг оси и могут быть идентифицированы только с помощью спектроскопии. Спектроскопия изучает взаимодействие материи и света, а в физике Солнца ученые используют эффект Доплера для точного измерения крошечных сдвигов спектральных длин волн, вызванных движением плазмы. Плазма, движущаяся к Земле, вызывает небольшое «синее смещение» спектральных линий и «красное смещение» от Земли. Анализируя сигналы с красным и синим смещением в противоположных направлениях по обе стороны от магнитной структуры, исследователи смогли идентифицировать торсионное движение, скрытое в короне. Данные показывают, что такие закрученные альфвеновские волны сохраняются даже в относительно «спокойных» областях короны.
Текущая измеренная амплитуда волны относительно невелика, но ученые считают, что это в определенной степени занижает фактическое значение из-за метода наблюдения. Даже по самым скромным оценкам, эти извилистые альфвеновские волны, скорее всего, будут нести значительную часть энергии, необходимой для поддержания высоких температур в короне и управления солнечным ветром. «Это исследование обеспечивает ключевое подтверждение серии теоретических моделей того, как турбулентность альфвеновских волн приводит в действие солнечную атмосферу, и с помощью данных прямых наблюдений мы наконец можем сравнить эти модели с реальностью», — сказал Мортон.
Это открытие имеет отношение не только к тому, как мы понимаем само Солнце, но также тесно связано с прогнозированием космической погоды. Солнечный ветер несет магнитные возмущения, которые влияют на работу спутников, глобальные навигационные системы, радиосвязь, а также сети передачи и распределения электроэнергии. Исследователи отметили, что альфвеновские волны могут также объяснить явление «магнитного переключения», наблюдаемое солнечным зондом НАСА «Паркер» — это внезапные структуры обратного магнитного поля, которые, как считается, переносят большое количество энергии в солнечном ветре. Поскольку солнечный телескоп Иноуе продолжает предоставлять изображения корональных наблюдений сверхвысокого разрешения, ожидается, что в ближайшие годы научное сообщество еще больше раскроет, как эти магнитные волны распространяются, взаимодействуют и выделяют энергию в солнечной атмосфере, тем самым углубляя наше понимание Солнца и всей космической среды.