Ученые совершили значительный прорыв в солнечной физике, впервые обнаружив прямые доказательства существования мелкомасштабных торсионных альфвеновских волн в солнечной короне. Эти неуловимые магнитные волны, теоретическое предсказание которых появилось еще в 1940-х годах, давно считались ключевым фактором в необычайно сильном нагреве внешней атмосферы Солнца.
Открытие, опубликованное 24 октября в журнале Nature Astronomy, стало возможным благодаря мощному солнечному телескопу Daniel K. Inouye Национального научного фонда США (NSF), расположенному на Гавайях. Это достижение может наконец дать ответ на давний вопрос: почему внешняя оболочка Солнца, его корона, нагревается до миллионов градусов Цельсия, в то время как температура его поверхности составляет всего около 5500°C.
Альфвеновские волны–это магнитные колебания, распространяющиеся в плазме, впервые предсказанные в 1942 году нобелевским лауреатом Ханнесом Альфвеном. Крупные альфвеновские волны уже наблюдались ранее, часто в связи с солнечными вспышками. Однако новое исследование впервые предоставило доказательства существования меньших, постоянно присутствующих закручивающихся волн, которые, как предполагается, непрерывно передают энергию Солнцу.
Исследование возглавил профессор Ричард Мортон из Нортумбрийского университета, стипендиат программы UKRI Future Leader Fellow. Он отметил: «Это открытие завершает длительный поиск таких волн, который начался еще в 1940-х годах. Мы наконец смогли напрямую наблюдать эти торсионные движения, закручивающие силовые линии магнитного поля туда и обратно в короне».
Прорыв стал возможным благодаря спектрополяриметру Cryogenic Near Infrared Spectropolarimeter (Cryo-NIRSP) солнечного телескопа Daniel K. Inouye–самому передовому прибору, когда-либо созданному для изучения солнечной короны. Этот прибор способен обнаруживать мельчайшие структуры в солнечной атмосфере и измерять даже незначительные движения плазмы. Четырехметровое зеркало телескопа–в четыре раза больше, чем у любого предыдущего солнечного телескопа–делает его самой мощной установкой такого рода. Он управляется Национальной солнечной обсерваторией NSF и является результатом более чем двадцатилетнего международного сотрудничества. Нортумбрийский университет участвовал в работе через консорциум из Великобритании, который разработал камеры для широкополосного тепловизора телескопа, опираясь на свой значительный опыт в солнечных исследованиях.
Профессор Мортон получил время для наблюдений еще на этапе тестирования телескопа. Используя Cryo-NIRSP, его команда отслеживала движение железа в короне, нагретого до невероятных 1,6 миллиона градусов Цельсия. Ключ к выявлению неуловимых закручивающихся волн заключался в новых методах анализа данных, разработанных Мортоном. Он пояснил: «Движение плазмы в солнечной короне в основном определяется раскачивающимися движениями. Они маскируют торсионные движения, поэтому мне пришлось разработать способ устранения этих колебаний, чтобы обнаружить закручивание». В отличие от более известных «изгибных» волн, которые заставляют всю магнитную структуру раскачиваться и видны в солнечных видеоматериалах, торсионные альфвеновские волны создают едва уловимое закручивающее движение, которое можно обнаружить только спектроскопически. Это означает, что ученым приходится измерять, как плазма смещается к Земле и от нее, создавая характерные красные и синие узоры на противоположных сторонах магнитных структур.
Это открытие проливает новый свет на то, как функционирует атмосфера Солнца. Корона, видимая во время полных солнечных затмений, может нагреваться до температуры более миллиона градусов Цельсия–достаточно высокой, чтобы выбрасывать заряженные частицы наружу в виде солнечного ветра, заполняющего нашу Солнечную систему. В исследовании приняли участие ученые из Пекинского университета (Китай), Лёвенского католического университета (Бельгия), Лондонского университета королевы Марии, Китайской академии наук и Национальной солнечной обсерватории NSF на Гавайях и в Колорадо, что подчеркивает широкое международное сотрудничество. Понимание поведения альфвеновских волн имеет практическое значение для прогнозирования космической погоды. Солнечный ветер переносит магнитные возмущения, которые могут мешать работе GPS, спутников и электросетей на Земле. Эти недавно обнаруженные волны также могут объяснить «магнитные переключения» (magnetic switchbacks)–всплески энергии в солнечном ветре, недавно зафиксированные зондом NASA Parker Solar Probe.
«Это исследование обеспечивает важную проверку для целого ряда теоретических моделей, описывающих, как турбулентность альфвеновских волн питает солнечную атмосферу, — добавил профессор Мортон. — Прямые наблюдения наконец позволяют нам проверить эти модели на соответствие реальности».
Команда ожидает, что это открытие положит начало дальнейшим исследованиям того, как эти волны распространяются и рассеивают энергию в короне. Возможность прибора Cryo-NIRSP солнечного телескопа Daniel K. Inouye предоставлять высококачественные спектры открывает новые перспективы для изучения волновой физики в солнечной атмосфере. Исследование было поддержано программами UKRI Future Leaders Fellowships, Национального фонда естественных наук Китая и Horizon Europe Европейского союза. Это уже третья статья профессора Мортона, опубликованная в этом году в рамках его исследований альфвеновских волн.
