Тайна «медленного» солнечного ветра раскрыта миссией Solar Orbiter

Ученые стали на шаг ближе к разгадке таинственного происхождения «медленного» солнечного ветра, используя данные, собранные во время первого близкого путешествия космического аппарата Solar Orbiter к Солнцу.

Солнечный ветер, скорость которого может достигать сотен километров в секунду, уже много лет завораживает ученых, и новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, наконец-то проливает свет на то, как он формируется.

Солнечный ветер описывает непрерывный поток заряженных частиц плазмы от Солнца в космос, причем ветер со скоростью более 500 км в секунду называется «быстрым», а со скоростью менее 500 км в секунду – «медленным».

Когда этот ветер попадает в атмосферу Земли, он может привести к появлению потрясающих сияний, известных нам как полярное сияние. Но когда высвобождаются большие объемы плазмы в виде выброса корональной массы, это также может быть опасно, вызывая значительный ущерб спутникам и системам связи.

Несмотря на десятилетия наблюдений, источники и механизмы, которые высвобождают, ускоряют и переносят плазму солнечного ветра от Солнца в нашу Солнечную систему, изучены недостаточно хорошо, особенно медленный солнечный ветер.

В 2020 году Европейское космическое агентство (ЕКА) при поддержке НАСА запустило миссию Solar Orbiter. Одной из главных целей миссии, помимо получения самых близких и детальных изображений Солнца, является измерение и привязка солнечного ветра к месту его возникновения на поверхности Солнца.

На борту Solar Orbiter, который называют «самой сложной научной лабораторией, когда-либо отправленной к Солнцу», установлено десять различных научных приборов: некоторые из них работают непосредственно на месте, собирая и анализируя образцы солнечного ветра, проходящего мимо космического аппарата, а другие приборы дистанционного зондирования предназначены для получения высококачественных изображений активности на поверхности Солнца.

Объединив фотографические и инструментальные данные, ученые впервые смогли более четко определить, откуда берет начало медленный солнечный ветер. Это помогло им установить, как он покидает Солнце и начинает свой путь в гелиосферу — гигантский пузырь вокруг Солнца и его планет, защищающий нашу Солнечную систему от межзвездной радиации.

Доктор Стеф Ярдли из Нортумбрийского университета в Ньюкасле-на-Тайне возглавила исследование и объясняет: «Изменчивость потоков солнечного ветра, измеренная на месте на космическом аппарате вблизи Солнца, дает нам много информации об их источниках, и хотя прошлые исследования позволили проследить происхождение солнечного ветра, это было сделано гораздо ближе к Земле, к тому времени эта изменчивость теряется».

«Благодаря тому, что Solar Orbiter пролетает так близко к Солнцу, мы можем запечатлеть сложную природу солнечного ветра, чтобы получить гораздо более четкое представление о его происхождении и о том, как эта сложность обусловлена изменениями в различных регионах-источниках».

Считается, что разница между скоростью быстрого и медленного солнечного ветра обусловлена различными областями солнечной короны, самого внешнего слоя атмосферы, из которых они исходят.

Открытая корона относится к областям, где линии магнитного поля прикреплены к Солнцу только одним концом, а другим простираются в космос, создавая магистраль для выхода солнечного вещества в пространство. Эти области более холодные и считаются источником быстрого солнечного ветра.

Между тем, закрытая корона относится к тем областям Солнца, где линии магнитного поля замкнуты — то есть соединены с солнечной поверхностью с обоих концов. Они видны как большие яркие петли, которые образуются над магнитно-активными областями.

Иногда эти замкнутые магнитные петли разрываются, давая кратковременную возможность солнечному веществу вырваться наружу, как это происходит через открытые линии магнитного поля, после чего они вновь соединяются и образуют замкнутую петлю. Обычно это происходит в местах, где встречаются открытая и закрытая короны.

Одна из целей Solar Orbiter – проверить теорию о том, что медленный солнечный ветер зарождается в закрытой короне и способен уходить в космос через этот процесс разрыва и соединения линий магнитного поля.

Одним из способов проверки этой теории стало измерение «состава» потоков солнечного ветра.

Комбинация тяжелых ионов, содержащихся в солнечном материале, различается в зависимости от того, откуда он исходит: из более горячей, закрытой и более холодной, открытой короны.

С помощью приборов, установленных на борту Solar Orbiter, команда смогла проанализировать активность, происходящую на поверхности Солнца, и сопоставить ее с потоками солнечного ветра, собранными космическим аппаратом.

Используя изображения поверхности Солнца, полученные Solar Orbiter, они смогли точно определить, что потоки медленного ветра исходили из области, где встречаются открытая и закрытая короны, что доказывает теорию о том, что медленный ветер может выходить из закрытых линий магнитного поля через процесс разрыва и пересоединения.

Доктор Ярдли из исследовательской группы по солнечной и космической физике Университета Нортумбрии объясняет: «Меняющийся состав солнечного ветра, измеренный на Solar Orbiter, соответствовал изменениям в составе источников в короне».

«Изменения в составе тяжелых ионов и электронов убедительно свидетельствуют о том, что изменчивость обусловлена не только различными областями источников, но и процессами пересоединения, происходящими между замкнутыми и разомкнутыми контурами в короне».

Миссия ЕКА Solar Orbiter – это международное сотрудничество, в котором участвуют ученые и институты со всего мира, предоставляя специализированные навыки и оборудование.

Даниэль Мюллер, научный сотрудник ЕКА по проекту Solar Orbiter, сказал: «С самого начала главной целью миссии Solar Orbiter была связь динамических событий на Солнце с их влиянием на окружающий плазменный пузырь гелиосферы».

«Для достижения этой цели нам необходимо сочетать дистанционные наблюдения за Солнцем с натурными измерениями солнечного ветра, проходящего мимо космического аппарата. Я безмерно горжусь всей командой за успешное проведение этих сложных измерений».

«Этот результат подтверждает, что Solar Orbiter способен установить надежные связи между солнечным ветром и областями его источника на солнечной поверхности. Это было ключевой задачей миссии и открывает нам путь к беспрецедентно подробному изучению происхождения солнечного ветра».

Среди приборов на борту Solar Orbiter – датчик тяжелых ионов (HIS), частично разработанный исследователями и инженерами из Исследовательской лаборатории космической физики Мичиганского университета на факультете климатических и космических наук и техники. Датчик был разработан для измерения тяжелых ионов в солнечном ветре, что может быть использовано для определения того, откуда пришел солнечный ветер.

В каждом регионе Солнца может быть уникальная комбинация тяжелых ионов, которая определяет химический состав потока солнечного ветра.

«Поскольку химический состав солнечного ветра остается неизменным по мере его распространения в Солнечной системе, мы можем использовать эти ионы как отпечатки пальцев, чтобы определить происхождение конкретного потока солнечного ветра в нижней части солнечной атмосферы», — говорит Сьюзан Лепри, профессор климатических и космических наук и инженерии в Мичиганском университете и заместитель главного исследователя датчика тяжелых ионов.

Электроны в солнечном ветре измеряются с помощью системы анализа электронов (EAS), разработанной в Лаборатории космических наук Малларда Калифорнийского университета, где доктор Ярдли является почетным научным сотрудником.

Профессор Кристофер Оуэн из Калифорнийского университета сказал: «Команды разработчиков приборов потратили более десяти лет на проектирование, создание и подготовку своих датчиков к запуску, а также на планирование того, как лучше всего скоординировать их работу. Поэтому очень приятно видеть, как теперь данные собираются воедино, чтобы показать, какие области Солнца являются движущей силой медленного солнечного ветра и его изменчивости».

Протонно-альфа-датчик (PAS), измеряющий скорость ветра, был спроектирован и разработан Институтом исследований в области астрофизики и планетологии Университета Поля Сабатье в Тулузе, Франция.

Вместе эти приборы составляют набор датчиков Solar Wind Analyser на борту Solar Orbiter, главным исследователем которого является профессор Оуэн из UCL.

Говоря о планах будущих исследований, доктор Ярдли сказал: «До сих пор мы анализировали таким образом данные Solar Orbiter только для этого конкретного интервала. Будет очень интересно рассмотреть другие случаи с помощью Solar Orbiter, а также провести сравнение с данными других близких миссий, таких как Parker Solar Probe НАСА».