Солнечные выбросы обычно представляют как огромные облака плазмы, которые устремляются от Солнца в межпланетное пространство. Однако детальные наблюдения одного из таких событий показали, что эта картина может быть значительно сложнее. В декабре 2024 года корональный выброс массы, или CME, удалось проследить сразу с помощью 17 космических аппаратов, находившихся в разных точках внутренней Солнечной системы.
Такое количество аппаратов стало рекордом для наблюдения одного коронального выброса массы. Но главное значение этого события оказалось не в самом количестве полученных измерений. Благодаря расположению аппаратов исследователи смогли увидеть то, что при наблюдении практически только со стороны Земли осталось бы незаметным: выброс имел сильно асимметричную структуру и состоял из двух различавшихся по скорости и направлению компонентов.
Один из них двигался в секторе Земли и Марса со средней скоростью около 840 км/с. Другой, значительно более медленный, распространялся в сторону космического аппарата STEREO-A. При этом именно крупный медленный компонент частично заслонил более быстрый выброс, направлявшийся к Земле, для наблюдателей, находившихся на линии Солнце — Земля.
Результат имеет значение не только для понимания физики солнечных выбросов. Он показывает, насколько сложно определить реальную форму и направление движения CME, наблюдая его из одной точки. Для прогнозирования космической погоды особенно важны данные с разных направлений, поскольку опасный для Земли компонент выброса в некоторых случаях может быть плохо заметен на ранних этапах.
Почему корональные выбросы массы так важны
Огромные облака плазмы покидают Солнце
Корональный выброс массы — это масштабное извержение плазмы и магнитного поля из внешней атмосферы Солнца, короны. В отличие от солнечной вспышки, которая представляет собой резкое высвобождение энергии и электромагнитного излучения, CME связан с выбросом огромного количества вещества в межпланетное пространство.
Солнечная плазма состоит в основном из заряженных частиц. Вместе с выброшенным веществом распространяется и магнитное поле, связанное с плазмой. По мере удаления от Солнца структура выброса изменяется, он взаимодействует с солнечным ветром и постепенно распространяется по Солнечной системе.
Корональные выбросы массы происходят регулярно, однако их размеры, скорости, направления и структура могут значительно различаться. Некоторые CME не оказывают заметного воздействия на Землю, тогда как другие становятся причиной сильных геомагнитных возмущений.
CME связаны с космической погодой
Если корональный выброс массы направлен в сторону Земли и его магнитное поле взаимодействует с магнитосферой нашей планеты, возникают геомагнитные возмущения. Одним из наиболее заметных последствий становятся полярные сияния.
Но последствия солнечных бурь не ограничиваются красивыми оптическими явлениями. Сильные события способны создавать проблемы для космических аппаратов, радиосвязи и других систем, зависящих от космической среды. Для людей за пределами защитной магнитосферы Земли дополнительную опасность представляет повышенное воздействие высокоэнергичных частиц, связанных с солнечной активностью.
Именно поэтому определение траектории CME имеет практическое значение. Чем раньше удаётся понять, направляется ли выброс к Земле и с какой скоростью он распространяется, тем больше времени остаётся для оценки возможных последствий.
Событие 15 декабря 2024 года
Выброс начался на Солнце
Исследуемый корональный выброс массы покинул Солнце 15 декабря 2024 года в 00:48 по всемирному времени. Впоследствии его движение удалось проследить на различных этапах распространения по внутренней Солнечной системе.
Главное отличие этого события от многих предыдущих наблюдений заключалось в необычном расположении космических аппаратов. Они находились не просто на различных расстояниях от Солнца, но и в разных направлениях относительно линии Солнце — Земля.
Предыдущий рекорд составлял 10 космических аппаратов, наблюдавших один CME. Однако большинство из них располагалось примерно вдоль одного направления — от Солнца через Землю дальше в Солнечную систему. Такие наблюдения хорошо позволяют определить, когда выброс достиг различных расстояний, но дают гораздо меньше информации о его поперечной структуре.
В случае события декабря 2024 года ситуация оказалась другой. Разнесённые по Солнечной системе аппараты фактически создали систему наблюдения с разных точек, что позволило восстановить структуру выброса значительно лучше.
Почему расположение аппаратов оказалось решающим
Если один и тот же солнечный выброс наблюдается только вдоль одного направления, исследователи получают ограниченную информацию о его форме. Это похоже на попытку определить размеры и очертания большого объекта, наблюдая его почти исключительно с одной стороны.
Когда же несколько аппаратов находятся далеко друг от друга и под разными углами, они могут регистрировать разные части одного и того же события. В результате появляется возможность сопоставить время прохождения выброса, скорость, направление движения и характеристики плазмы в разных местах.
Именно такой набор данных позволил обнаружить асимметричную структуру декабрьского CME. Исследователи установили, что выброс не распространялся как единая симметричная оболочка с одинаковыми характеристиками во всех направлениях.
Два компонента одного солнечного выброса
Быстрый компонент двигался к Земле и Марсу
Наиболее важной особенностью события оказалось наличие быстрого компонента, который распространялся через сектор пространства, где находились Земля и Марс.
Его средняя скорость составляла около 840 км/с. Такой выброс способен преодолевать расстояние от Солнца до Земли за относительно короткое время по космическим меркам.
Этот компонент достиг Земли 17 декабря, через два дня после начала выброса. Позднее его также зарегистрировали космические аппараты, находившиеся дальше от Солнца, в том числе Europa Clipper во время перелёта к Юпитеру и аппарат MAVEN у Марса.
Сам по себе тот факт, что выброс достиг нескольких планетных областей, не был главным открытием. Необычным оказалось то, что этот компонент первоначально оказался практически скрыт от наблюдателей, находившихся в наиболее очевидной позиции для контроля солнечной активности.
Второй компонент был медленнее
Другой компонент выброса двигался в другом направлении — дальше на запад, в сторону аппарата STEREO-A. Его средняя скорость составляла около 534 км/с, то есть была значительно меньше скорости быстрого компонента.
По мере распространения этот компонент продолжал замедляться. Когда он достиг STEREO-A, его скорость составляла примерно 400 км/с.
Такое различие скоростей стало дополнительным свидетельством того, что речь шла не об одном однородном фронте, который движется с единой скоростью. Исследователи увидели сложную структуру, включавшую два существенно различающихся компонента.
Оба компонента постепенно замедлялись при взаимодействии с обычным солнечным ветром, который они обгоняли. Однако различия в скоростях сохранялись достаточно долго, чтобы их можно было зарегистрировать несколькими космическими аппаратами.
Как опасный компонент оказался скрыт
Наблюдения SOHO не показали всей картины
Одним из ключевых участников наблюдений стал космический аппарат SOHO, который более трёх десятилетий постоянно наблюдает Солнце и солнечную среду. Именно SOHO зарегистрировал начало рассматриваемого события.
Но его положение создало важное ограничение. Аппарат наблюдал выброс примерно вдоль направления Солнце — Земля и видел прежде всего крупный медленный компонент, который распространялся под углом к Земле.
Более быстрый компонент, направлявшийся в сторону Земли, оказался за ним скрыт. Поэтому при наблюдении только с такого направления исследователи могли бы получить неполную картину происходящего.
Это особенно важно для прогнозирования космической погоды. Проблема заключалась не в том, что выброс был слишком слабым для регистрации, а в том, что его геометрия позволила одному компоненту фактически скрыть другой от конкретного наблюдателя.
Именно боковые наблюдения обнаружили недостающую часть
Аппараты, находившиеся в стороне от линии Солнце — Земля, зарегистрировали другие части события. Их данные позволили связать наблюдения различных космических аппаратов в единую картину.
В итоге выяснилось, что крупный медленный компонент не представлял собой весь выброс. За ним находился более быстрый компонент, который распространялся в направлении Земли и Марса.
Таким образом, отсутствие компонента на изображениях одного аппарата не означало его отсутствия в самом солнечном выбросе. Это принципиально важный момент для интерпретации наблюдений CME: то, что кажется полной структурой выброса с одной позиции, может быть лишь частью значительно более сложного объекта.
Где находились космические аппараты
Наблюдения охватили большую часть внутренней Солнечной системы
17 аппаратов, участвовавших в исследовании, регистрировали разные этапы события. Среди них были SOHO, BepiColombo, Solar Dynamics Observatory, STEREO-A, четыре аппарата миссии Magnetospheric Multiscale, два аппарата ARTEMIS, Wind, ACE, GOES, DSCOVR, Europa Clipper, MAVEN и Solar Orbiter.
Не каждый аппарат непосредственно наблюдал весь CME. Некоторые зарегистрировали сам выброс, другие — его ударную волну, турбулентную область перед магнитным облаком, магнитное облако либо след, оставшийся в солнечном ветре после прохождения выброса.
Именно сочетание различных измерений позволило проследить эволюцию события на значительном расстоянии от Солнца.
Первые измерения возле Меркурия
16 декабря CME был зарегистрирован на расстоянии примерно 0,35 астрономической единицы от Солнца. Это примерно треть среднего расстояния между Землёй и Солнцем, то есть область внутренней части Солнечной системы вблизи орбиты Меркурия.
В этот момент выброс проходил в районе космического аппарата BepiColombo, предназначенного для исследования Меркурия.
Такие измерения особенно ценны для изучения эволюции CME. Между Солнцем и Землёй выброс проходит огромное по астрономическим масштабам расстояние, и его свойства за это время успевают существенно измениться. Наблюдения в нескольких точках позволяют понять, как именно происходит эта эволюция.
Земля зарегистрировала скрытый компонент
17 декабря быстрый компонент достиг Земли. Его зарегистрировало сразу несколько находившихся здесь космических аппаратов.
При этом выброс не оказался достаточно сильным, чтобы вызвать значительные полярные сияния. Это показывает, что наличие направленного на Землю CME само по себе ещё не означает сильную геомагнитную бурю. Для оценки воздействия важны характеристики самого выброса и его магнитного поля, а также условия взаимодействия с магнитосферой Земли.
Полученные данные тем не менее оказались чрезвычайно важными для реконструкции формы CME.
Необнаружение Solar Orbiter тоже оказалось полезным
Аппарат находился почти на линии Солнце — Земля
Одним из наиболее интересных моментов стало то, что Solar Orbiter не зарегистрировал этот CME, хотя его положение казалось подходящим для наблюдения.
В момент события аппарат находился примерно в 0,94 астрономической единицы от Солнца и всего примерно в 10 градусах от линии Солнце — Земля.
На первый взгляд отсутствие регистрации могло показаться недостатком данных. На практике оно оказалось важным ограничением для модели структуры выброса.
Если известно, где CME не был обнаружен, эта информация также помогает определить его форму и границы. Исследователи использовали отсутствие сигнала от Solar Orbiter вместе с наблюдениями других аппаратов, чтобы уточнить геометрию асимметричного выброса.
Отрицательный результат может быть научно ценным
В космической физике отсутствие обнаружения не всегда означает отсутствие информации. Если характеристики прибора и его положение известны, а ожидаемый сигнал должен был быть зарегистрирован при определённой геометрии, отсутствие сигнала позволяет исключить часть возможных моделей.
В данном случае Solar Orbiter помог ограничить область пространства, которую занимал CME. Это стало одним из элементов, позволивших восстановить его двухмерную структуру.
Такой результат хорошо показывает преимущество распределённой сети наблюдений: полезными становятся не только прямые обнаружения, но и их отсутствие в определённых точках.
Как CME двигался дальше
Медленный компонент достиг STEREO-A
18 декабря медленный компонент добрался до STEREO-A. Этот аппарат движется вокруг Солнца примерно на расстоянии Земли — около одной астрономической единицы, — но находится значительно впереди нашей планеты на своей орбите.
Именно STEREO-A оказался в направлении движения второго компонента выброса. Благодаря этому его удалось непосредственно зарегистрировать после прохождения значительного расстояния от Солнца.
Скорость медленного компонента к этому моменту снизилась примерно до 400 км/с. Такое замедление связано с взаимодействием выброса с солнечным ветром.
Europa Clipper зарегистрировал быстрый компонент дальше Земли
Другой важный набор данных поступил от Europa Clipper. Аппарат находился на расстоянии примерно 1,19 астрономической единицы от Солнца и в то время совершал перелёт к Юпитеру.
Его плазменный прибор зарегистрировал быстрый компонент CME. Это особенно интересно, поскольку аппарат не находился на орбите вокруг Земли: он продолжал межпланетное путешествие и оказался в точке, через которую прошёл выброс.
Таким образом, планетные миссии могут одновременно выполнять свои основные задачи и предоставлять данные для изучения космической погоды. В будущем значение таких наблюдений будет возрастать по мере увеличения числа аппаратов, удаляющихся от Земли.
Марс также оказался на пути выброса
19–20 декабря CME был зарегистрирован у Марса аппаратом MAVEN. Это подтвердило распространение быстрого компонента через область пространства между Землёй и Марсом.
Таким образом, одно и то же событие удалось проследить сразу в нескольких областях внутренней Солнечной системы. Для науки о солнечных выбросах это особенно ценно: вместо отдельных наблюдений в разных местах исследователи получили последовательность измерений, относящихся к одному и тому же CME.
Что показала скорость движения выброса
CME не двигался как единое целое
Различия в скоростях двух компонентов стали одним из наиболее убедительных признаков сложной структуры события.
Быстрый компонент распространялся в среднем со скоростью около 840 км/с. Медленный двигался в среднем примерно со скоростью 534 км/с, а возле STEREO-A замедлился приблизительно до 400 км/с.
Если бы выброс представлял собой единую однородную структуру, столь значительное различие скоростей было бы трудно объяснить. Наблюдения указывают на то, что различные части солнечного выброса могли распространяться по-разному и взаимодействовать с окружающей плазмой неодинаковым образом.
Оба компонента замедлялись при взаимодействии с солнечным ветром. Это взаимодействие происходит по мере распространения CME, поскольку выброшенное Солнцем вещество движется быстрее окружающего потока солнечной плазмы и теряет скорость.
Структура оказалась двухлопастной и асимметричной
Главным результатом исследования стала реконструкция CME как сильно асимметричной структуры с двумя лопастями.
Одна лопасть была быстрее и распространялась через область Земли и Марса. Другая была крупнее, медленнее и двигалась в другом направлении. При этом медленная лопасть с точки зрения наблюдений с Земли фактически закрывала часть быстрой.
Такая геометрия объясняет, почему один и тот же выброс выглядел по-разному для разных космических аппаратов.
Исследователи отмечают, что это событие находится на крайнем конце диапазона ранее наблюдавшейся изменчивости CME. При этом пока неизвестно, насколько часто встречаются столь сильно асимметричные выбросы.
Почему такие выбросы трудно прогнозировать
Изображение Солнца не всегда показывает полную траекторию CME
Основная проблема прогнозирования заключается в том, что наблюдатель на Земле видит Солнце преимущественно с одного направления.
Даже современные солнечные обсерватории предоставляют огромное количество информации, однако геометрия наблюдений остаётся ограниченной. Если часть CME распространяется в сторону Земли, а другая часть уходит в сторону, эти компоненты могут перекрывать друг друга на изображениях.
В результате можно неправильно оценить размер, форму и направление движения выброса. Особенно сложной становится ситуация, когда опасный для Земли компонент относительно быстро движется за более крупной и медленной частью CME.
Именно это произошло в декабре 2024 года. Быстрый компонент, направленный в сторону Земли, оказался скрытым за более крупной медленной лопастью при наблюдении с наиболее привычного направления.
Потеря времени особенно опасна для космических миссий
Для находящихся на Земле последствия ошибки прогноза могут ограничиваться тем, что фактическое геомагнитное возмущение оказывается сильнее или слабее ожидаемого. Для космических миссий ситуация сложнее.
Быстрые CME могут создавать ударные волны, ускоряющие частицы до высоких энергий. За пределами магнитосферы Земли астронавты не имеют такой же степени естественной защиты от космической радиации, как на поверхности планеты.
Поэтому для будущих полётов к Луне и Марсу важно не только знать, произошла ли солнечная вспышка, но и понимать, куда направился выброс, насколько быстро он движется и какие условия будут сопровождать его распространение.
Если опасный компонент CME обнаруживается с опозданием, сокращается время, доступное для оценки угрозы и принятия эксплуатационных решений.
Что изменится благодаря наблюдениям из разных точек
Космическая погода требует распределённой системы наблюдений
Результат исследования показывает, что одного типа наблюдений недостаточно для полного описания крупных солнечных выбросов.
Аппараты на линии Солнце — Земля хорошо подходят для постоянного мониторинга солнечной активности и измерения параметров солнечного ветра перед его воздействием на Землю. Но дополнительные аппараты, расположенные в стороне от этой линии, позволяют получить информацию о поперечной структуре CME.
Такое сочетание особенно важно. Наблюдения из разных точек дают возможность не просто определить время прибытия выброса, но и восстановить его форму, направление и изменения по мере движения.
Декабрьский CME стал наглядной демонстрацией того, что расширение наблюдательной сети может обнаружить компоненты, которые практически невозможно увидеть с одной позиции.
Планетные миссии тоже могут стать частью системы
Особенно интересен тот факт, что часть данных поступила от аппаратов, которые не были специально предназначены для наблюдения именно этого события.
Europa Clipper находился в межпланетном перелёте, MAVEN работал у Марса, а другие аппараты находились в различных областях внутренней Солнечной системы. Их приборы зарегистрировали разные этапы прохождения CME.
Это означает, что будущая система космической погоды может опираться не только на специализированные солнечные обсерватории. Аппараты, выполняющие исследования планет и других объектов, тоже могут предоставлять важные измерения солнечного ветра и проходящих через их область пространства выбросов.
Будущая миссия Vigil
Дополнительная точка наблюдения возле L5
Одним из будущих элементов системы наблюдения за космической погодой должна стать миссия Vigil Европейского космического агентства. Её запуск планируется на 2031 год.
Аппарат должен работать в районе точки Лагранжа L5 системы Солнце — Земля. Эта область расположена примерно на 60 градусов позади Земли по её орбите вокруг Солнца.
Такое положение даст возможность наблюдать солнечную активность с существенно отличающегося направления. Это именно тот тип наблюдений, недостаток которого оказался критически важным при анализе декабрьского CME 2024 года.
Vigil не сможет устранить все неопределённости прогнозирования космической погоды, но дополнительные данные с бокового направления должны улучшить способность исследователей определять структуру и траекторию потенциально опасных солнечных выбросов.
Остаётся главный вопрос: насколько часто встречаются такие CME
Исследование показало необычную структуру одного конкретного солнечного выброса, но не позволяет автоматически считать её типичной для всех CME.
Авторы подчёркивают, что причина столь выраженной асимметрии пока остаётся неясной. Необходимо выяснить, является ли декабрьское событие редким исключением или подобные структуры встречаются гораздо чаще, но обычно остаются незамеченными из-за недостаточного количества наблюдательных точек.
Это принципиальный вопрос. Если асимметричные CME действительно распространены, нынешние методы прогнозирования могут систематически недооценивать некоторые особенности их структуры. Если же такие события редки, декабрьский выброс представляет собой необычный пример экстремальной изменчивости солнечных извержений.
Ответ можно получить только благодаря накоплению новых наблюдений с разных точек Солнечной системы.
Почему 17 аппаратов дали результат, которого не дал бы один телескоп
Главный вывод исследования заключается не просто в том, что один CME оказался необычным. Гораздо важнее то, как именно удалось это установить.
Семнадцать космических аппаратов наблюдали различные части одного события с разных расстояний и направлений. Одни увидели начало выброса, другие зарегистрировали его прохождение вблизи Меркурия, Земли, Марса или на межпланетной траектории Europa Clipper. Некоторые зафиксировали саму магнитную структуру, другие — ударную волну, турбулентную область или след, оставшийся после прохождения выброса.
Объединение этих данных позволило получить как минимум двухмерное представление о структуре CME. Именно широкое пространственное распределение наблюдателей показало, что выброс был значительно сложнее, чем могло показаться при наблюдении с Земли.
Самым неожиданным оказалось то, что направленный к Земле быстрый компонент практически скрывался за более крупной и медленной частью выброса. Без космических аппаратов, расположенных вне линии Солнце — Земля, эта особенность могла остаться неизвестной.
Для науки о космической погоде это важный результат. Он показывает, что точность прогноза зависит не только от совершенства приборов, но и от геометрии всей системы наблюдений. Чем дальше человечество отправляет космические аппараты от Земли и чем больше миссий работает в разных областях Солнечной системы, тем больше возможностей появляется для одновременного наблюдения одного солнечного события с нескольких направлений.
Декабрьский CME 2024 года фактически продемонстрировал необходимость такой распределённой системы. Один и тот же солнечный выброс оказался одновременно крупным, медленным, быстрым, асимметричным и частично скрытым — в зависимости от того, из какой точки его наблюдали. Именно совокупность этих разрозненных наблюдений позволила впервые увидеть полную картину события и понять, насколько сложной может быть структура коронального выброса массы.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
