Используя данные, собранные космическим зондом Solar Orbiter во время последнего сближения со звездой, ученые поняли, как работает переключение магнитного поля на Солнце. Рассказываем главное о миссии и открытии.
Еще в середине 1970-х годов, когда немецко-американские космические аппараты Helios 1 и 2 впервые приблизились к Солнцу, ученые впервые обнаружили внезапную инверсию магнитного поля звезды. Дальнейшие наблюдения с помощью различных исследовательских миссий показали, что это явление — не редкость.
Такие переключения всегда были временными и всегда внезапными. Они могли продолжаться от нескольких минут до нескольких часов, но всегда заканчивались тем, что магнитное поле возвращалось к своему первоначальному направлению. Секрет магнитного переключения долгое время оставался загадкой для астрофизиков, пока зонд Solar Orbiter не подлетел максимально близко к нашей звезде.
Что произошло?
В конце марта 2022 года зонд Solar Orbiter совершил первое максимальное сближение и прошел на расстоянии всего в 0,32 а.е. от звезды. Напомним, 1 а.е. — это примерное среднее расстояние между Солнцем и Землей. Оно составляет 149,6 млн км. В момент максимального сближения аппарат находился внутри орбиты Меркурия, а его инструменты и датчики собирали данные и делали снимки поверхности звезды.
Один из таких приборов — коронограф Metis. Это устройство блокирует яркие блики света с поверхности Солнца и делает снимки короны — внешней атмосферы звезды. Корона — область, которая имеет решающее значение для связи внешних наблюдений с процессами, происходящими внутри гелиосферы. Metis одновременно улавливает видимое и далекое ультрафиолетовое излучение солнечной короны. Это помогает ученым получить динамику короны в максимальном разрешении.
Около полуночи по московскому времени в ночь с 25 на 26 марта Metis сделал изображение солнечной короны, на котором был виден искаженный S-образный излом в корональной плазме. Эта структура напомнила ученым одну из теорий, которая объясняет происхождение магнитного переключения на Солнце.
Исследователи проанализировали данные, полученные в это же время другими приборами, и установили, что необычное явление наблюдалось над активной областью AR 12972. Это совокупность изменяющихся структурных образований в некоторой ограниченной области солнечной атмосферы, в которой наблюдается изменение магнитного поля. Как правило, внешне это проявляется несколькими темными пятнами.
Дальнейший анализ показал, что скорость плазмы (заряженных частиц) над этой областью была очень низкой, что характерно для активных зон, которые еще не высвободили накопленную энергию. Все наблюдения хорошо совпадают с теорией обратного переключения, которая объясняет магнитное переключение на Солнце.
Как это работает?
Вблизи Солнца и особенно над активными областями существуют замкнутые и открытые силовые линии магнитного поля. Первые из них представляют собой магнитные петли, которые изгибаются в корону и возвращаются внутрь звезды, а вторые — исходят от Солнца и соединяются с межпланетным магнитным полем Солнечной системы.
Поскольку заряженные частицы движутся вдоль линий магнитного поля, лишь небольшое количество плазмы может покинуть поверхность звезды при движении вдоль замкнутых линий, зато открытые — порождают быстрый поток солнечного ветра.
Исследователи показали, что магнитные переключения происходят при взаимодействии между областями с открытыми и замкнутыми силовыми линиями. По мере того, как силовые линии собираются вместе, они соединяются в более стабильные конфигурации. Подобно взмаху хлыста, это высвобождает энергию и создает S-образное возмущение, уходящее в космос.
Исследователи отмечают, что даже простой снимок солнечной короны, полученный Solar Orbiter, полностью совпал с математическими моделями, которые астрофизики рисовали, когда пытались теоретически объяснить необычное явление.
Чтобы подтвердить связь между наблюдениями и теоретическим объяснением, ученые построили компьютерную модель, которая использовала теоретическую модель для описания процессов на поверхности Солнца. Исследование показало, что все данные наблюдений Solar Orbiter в точности совпадают с предсказанными. Более того, удлинение S-образного возмущения при распространении сквозь солнечную корону, которое предсказала модель, можно было наблюдать на снимках.
В работе, опубликованной в The Astrophysical Journal Letters, ученые отметили, что зонд Solar Orbiter получил первое изображение магнитного переключения в солнечной короне, которое объяснило это явление.
Почему это важно?
Объяснение магнитного переключение открывает путь к исследованию внезапных изменений солнечного ветра. Космические корабли, которые проходят через инверсию магнитного поля, часто наблюдают локальное ускорение солнечного ветра.
В будущих наблюдениях ученые планируют статистически связать обратные переключения, наблюдаемые космическими кораблями с их исходными областями на Солнце. Это поможет лучше предсказывать поведение солнечного ветра, эволюцию и внутренние процессы на Солнце и в конечном счете космическую погоду и ее влияние на спутниковые миссии и погоду на Земле.
Ученые планируют настроить приборы Solar Orbiter к следующему сближению таким образом, чтобы понять, как Солнце соединяется с более широкой магнитной средой Солнечной системы.
Что дальше?
Несмотря на впечатляющие открытия, миссия зонда Solar Orbiter еще только начинается. Орбита этого космического аппарата сконструирована таким образом, чтобы вывести зонд за пределы плоскости эклиптики Солнечной системы и наблюдать полярные области звезды.
Его орбита была выбрана так, чтобы она находилась в близком резонансе с Венерой, что означает, что он возвращается в окрестности планеты каждые несколько оборотов вокруг Солнца, чтобы использовать свою гравитацию для изменения или наклона своей орбиты.
4 сентября 2022 года Solar Orbiter в третий раз сблизился с Венерой и сейчас движется в направлении Солнца. По расчетам, 13 октября 2022 года он установит новый рекорд приблизившись к Солнцу на расстояние в 0,29 а.е. (44,08 млн км). Возможно, уже в этот раз ученым удастся собрать новые данные, которые расскажут больше о магнитном поле нашей звезды.
Но даже если это не так, впереди зонд ждет множество возможностей. Корабль миссии, рассчитанной до 2030 года, будет сближаться с Солнцем примерно два раза в год. При этом с 2025 года Solar Orbiter будет использовать пролеты около Венеры, чтобы подняться сначала на 17°, а позже и до 33° над плоскостью экватора Солнца и заглянуть в малоизученные области звезды.
Читать далее:
Космический самолет доставит грузы на МКС и приземлится в обычном «аэропорту»
В ранней Вселенной нашли рой галактик, вращающихся вокруг одной гиперяркой
Физики объяснили «космическую нестыковку» Хокинга: как это изменит науку