Багаторічна загадка, що стосується небесного світила – Сонця, можливо, стоїть на порозі свого розгадування. Протягом десятиліть дослідники намагалися збагнути, чому зовнішня оболонка нашої зорі – корона – набагато гарячіша за її видиму поверхню, попри те, що знаходиться далі від сонячного ядра. Парадокс полягає в тому, що фотосфера, що є безпосередньою поверхнею Сонця, демонструє температуру близько 5 500 градусів за Цельсієм, тоді як її зовнішня атмосфера – корона – розігріта до неймовірних мільйонів градусів. Ця аномалія бентежила вчених, порушуючи звичні уявлення про теплопередачу.
Проте нині, завдяки спостереженням, здійсненим за допомогою новітнього телескопа високої роздільної здатності, вчені нарешті виявили невловимі “магнітні хвилі” в сонячній атмосфері. Ці хвилі, ймовірно, є визначальним чинником у дивовижному нагріванні корони. Результати цього відкриття були оприлюднені 24 жовтня на сторінках престижного наукового видання Nature Astronomy.
Нові дані, отримані від Сонячного телескопа імені Деніела К. Іноуї (DKIST), що розташований на Гаваях, – найбільшого наземного сонячного телескопа, збудованого людством, – допомагають науковцям зрозуміти, як енергія Сонця транспортується крізь його атмосферу. Телескоп розміщений на вершині вулкана Халеакала на острові Мауї, що є частиною архіпелагу Гавайських островів – унікального регіону в центральній частині Тихого океану, відомого своїми науковими об’єктами та природною красою.
Сонячна загадка
Дослідники давно помічали надзвичайно високу температуру сонячної корони, а також потужний потік розігрітого газу – сонячний вітер, який зі швидкістю понад 1,6 мільйона кілометрів на годину виривається з Сонця. Про це розповів Річард Мортон, сонячний фізик та професор Нортумбрійського університету у Великій Британії, який очолював це дослідження. Обидва ці процеси вимагають значної кількості енергії. Вчені припускали, що рух конвекції на поверхні Сонця генерує необхідну енергетичну підживку. Однак перші дослідження, проведені десятиліття тому, зіткнулися з низкою труднощів.
“Залишається незрозумілим, як ця енергія передається в атмосферу та сонячний вітер, а також як вона перетворюється на тепло та імпульс”, – зазначив Мортон.
У 1942 році шведський фізик-плазміст Ганнес Альфвен, який згодом став лауреатом Нобелівської премії, висунув припущення, що магнітні хвилі можуть бути відповідальними за цей феномен. Ці хвилі, відомі сьогодні як хвилі Альфвена – на честь свого першовідкривача – досі не були помічені в короні.
“Це сталося через те, що чутливість попередніх приладів була недостатньою для виявлення рухів хвиль Альфвена”, – пояснив Мортон. “Попри це, багато числових експериментів та інструментів для прогнозування космічної погоди припускали існування хвиль Альфвена в короні. Однак властивості хвиль, які вони використовували в моделях, базувалися на обґрунтованих припущеннях”.
Безпрецедентні спостереження
DKIST має дзеркало діаметром 4 метри і забезпечує безпрецедентну роздільну здатність зображень Сонця, за словами Мортона, з набагато “чистішими вимірами” (меншим шумом), ніж будь-яка попередня сонячна обсерваторія. У новому дослідженні вчені використали кріогенний інфрачервоний спектрополяриметр (Cryo-NIRSP) телескопа для пошуку корональних хвиль Альфвена.
Cryo-NIRSP дозволяє складати карту рухів корони за допомогою зображень, а також досліджувати зміни в сонячній плазмі (перегрітому газі) через явище, відоме як ефект Доплера – видиму різницю в частоті хвилі, коли спостерігач і джерело хвилі рухаються назустріч один одному або віддаляються. Поширений приклад із повсякденного життя – зміна звуку сирени швидкої допомоги, коли вона проїжджає повз пішохода на вулиці.
“Cryo-NIRSP надав дані, що дозволили нам спостерігати характерний слід хвиль Альфвена, який у плазмі, такій як корона, виглядає як звивання магнітного поля вперед-назад”, – розповів Мортон. “Це проявляється як чергування червоних і синіх доплерівських зсувів на протилежних сторонах магнітних полів. Ми виявили, що ці хвилі постійно були присутніми під час спостережень, і, враховуючи, що в досліджуваній області не було нічого особливого, це означає, що вони, ймовірно, поширені по всій атмосфері”.
“Можливо, найважливіше”, – продовжив він, – “наш аналіз показує, що ці хвилі, ймовірно, переносять значну кількість енергії”.
Це важливе відкриття, зазначив він, оскільки астрономи раніше сперечалися між сонячними хвилями та магнітним перез’єднанням – процесом, коли магнітні поля на Сонці перекручуються і розриваються, вивільняючи енергію, – як основним механізмом інтенсивного нагріву корони.
Хоча різні космічні апарати вже виявили докази того, що магнітне перез’єднання є рушійною силою коронального нагріву, нові дані від DKIST свідчать про складнішу картину. Сонячні обсерваторії, такі як зонд “Паркер” Національного управління з аеронавтики і дослідження космічного простору (НАСА) та космічний апарат Solar Orbiter Європейського космічного агентства, разом із свіжими даними від DKIST, показують, що “як хвилі, так і перез’єднання часто відбуваються в сонячній атмосфері”, – пояснив Мортон.
“Наше дослідження підтверджує, що хвилі Альфвена присутні і переносять значну кількість енергії, потенційно складаючи щонайменше половину необхідної енергії для нагрівання корони”, – додав він. “Однак точну енергію, пов’язану з хвилями, все ще важко оцінити”.
Співвідношення магнітного перез’єднання та хвиль Альфвена впливає не лише на сонячне нагрівання, а й на світло (або, точніше, випромінювану енергію) від Сонця, а також світло від зірок за межами нашої Сонячної системи. Вчені сподіваються використати це дослідження, щоб зрозуміти, як планетні системи еволюціонували в довгостроковій перспективі, та зробити кращі короткострокові прогнози щодо утворення сонячного вітру. “Є надія, що подальші дослідження, подібні до того, яке ми опублікували, проллють світло на властивості хвиль Альфвена, щоб краще інформувати моделі та покращити прогнози”, – зазначив він.
