Солнце окружено сложной и постоянно меняющейся средой, которая простирается далеко за пределы его видимого диска. Потоки заряженных частиц, магнитные поля и гигантские структуры плазмы формируют пространство всей Солнечной системы. Одной из крупнейших таких структур является гелиосферный токовый слой — огромная магнитная граница, которая разделяет области солнечного магнитного поля различной полярности.
Новое исследование позволило рассмотреть эту структуру значительно ближе к Солнцу, чем это удавалось раньше. Европейско-американский аппарат Solar Orbiter пересёк гелиосферный токовый слой на расстоянии около 0,3 астрономической единицы от Солнца и собрал подробные данные о составе и свойствах плазмы. Наблюдения показали, что эта гигантская граница значительно сложнее простой линии, разделяющей два магнитных полушария.
Учёные обнаружили признаки перестройки магнитных полей, изменения скорости солнечного ветра, необычное распределение химических элементов и избирательный нагрев тяжёлых ионов. Полученные результаты помогают лучше понять процессы, происходящие между солнечной короной и межпланетным пространством.
Самая большая магнитная структура Солнечной системы
Гелиосферный токовый слой представляет собой огромную область, связанную с глобальным магнитным полем Солнца. Его можно представить как чрезвычайно тонкую по космическим масштабам, но гигантскую по протяжённости поверхность, которая распространяется через всю гелиосферу вместе с солнечным ветром.
Эта структура возникает из-за того, что магнитное поле Солнца имеет области противоположной полярности. В определённых местах направление магнитного поля меняется, и между этими областями формируется граница. По мере удаления от Солнца она не остаётся неподвижной и ровной. Вращение Солнца и движение солнечного ветра превращают её в огромную волнистую структуру, распространяющуюся через межпланетное пространство.
Гелиосферный токовый слой связан с процессами, происходящими значительно ближе к солнечной поверхности. Его происхождение связано с крупными магнитными структурами солнечной короны, включая так называемые шлемовидные стримеры — огромные дугообразные образования из горячей плазмы, удерживаемой магнитными полями.
До недавнего времени значительная часть исследований этой структуры проводилась на расстоянии, близком к орбите Земли. Однако за время движения от Солнца к Земле солнечный ветер изменяется. Плазма взаимодействует с окружающей средой, магнитные структуры эволюционируют, а первоначальные свойства вещества могут постепенно теряться.
Поэтому наблюдения на расстоянии всего около 0,3 астрономической единицы особенно важны. Они позволяют увидеть состояние солнечного вещества значительно ближе к месту его происхождения.
Что Solar Orbiter увидел возле магнитной границы
13 апреля 2023 года Solar Orbiter пересёк участок гелиосферного токового слоя на расстоянии примерно 0,3 астрономической единицы от Солнца. Это составляет около трети среднего расстояния между Землёй и Солнцем.
Во время пересечения аппаратура станции зарегистрировала сложную структуру плазмы и магнитных полей. Полученные данные показали, что токовый слой нельзя считать простой и однородной границей. Внутри него наблюдаются несколько областей с различными физическими свойствами, изменениями давления плазмы и магнитными аномалиями.
Особенно важную роль в исследовании сыграли измерения состава солнечного ветра. Приборы Solar Orbiter позволили определить характеристики тяжёлых ионов — атомов, потерявших часть своих электронов и движущихся вместе с потоком солнечной плазмы.
Такие частицы несут информацию о процессах, происходивших ближе к Солнцу. Их свойства могут сохраняться во время дальнейшего движения через Солнечную систему, поэтому изучение состава солнечного ветра позволяет получать своеобразные сведения об условиях в его источнике.
Исчезновение потоков электронов
Одним из наиболее заметных результатов стало изменение поведения быстрых электронов перед пересечением основной области токового слоя.
В солнечном ветре часто наблюдаются направленные потоки быстрых электронов, известные как стралы. Их движение связано со структурой солнечного магнитного поля. Однако перед входом в основную область гелиосферного токового слоя Solar Orbiter зафиксировал резкое прекращение таких электронных потоков.
Одновременно с этим изменилось движение протонов солнечного ветра. Их скорость оказалась примерно на 50 километров в секунду выше, чем в соседних областях.
Сочетание этих признаков может указывать на процессы магнитного пересоединения. Это явление происходит, когда конфигурация магнитных полей меняется и линии магнитного поля перестраиваются. При этом накопленная в магнитном поле энергия может переходить в энергию движения и нагрева частиц.
Магнитное пересоединение считается одним из ключевых процессов в солнечной атмосфере и межпланетной среде. Оно связано с выбросами энергии и изменением структуры плазмы. Наблюдения Solar Orbiter показывают, что подобные процессы могут играть важную роль и в формировании свойств вещества внутри гелиосферного токового слоя.
Тяжёлые ионы сохранили информацию о солнечной короне
Одной из важных особенностей солнечного ветра является то, что свойства некоторых ионов формируются близко к Солнцу, а затем практически перестают изменяться.
В горячей плазме солнечной короны атомы постоянно теряют и захватывают электроны. Поэтому соотношение различных зарядовых состояний химических элементов зависит от температуры и физических условий окружающей среды.
Однако по мере удаления от Солнца плотность плазмы уменьшается. В определённый момент взаимодействия становятся настолько редкими, что ионы уже практически не могут менять своё зарядовое состояние. Учёные называют область, после которой это происходит, уровнем «замораживания» состава.
Для солнечного ветра этот процесс происходит сравнительно близко к Солнцу — примерно на расстоянии от одного до двух солнечных радиусов над поверхностью звезды, в зависимости от конкретных условий.
После этого зарядовые состояния ионов могут сохранять информацию о среде, в которой они сформировались.
Магнитный хаос не изменил зарядовые состояния
Во время пересечения гелиосферного токового слоя Solar Orbiter обнаружил значительные изменения магнитного поля. Однако соотношения различных зарядовых состояний углерода и кислорода оставались удивительно стабильными.
Это означает, что сложные процессы, происходящие внутри токового слоя на расстоянии 0,3 астрономической единицы, уже не способны существенно изменить зарядовое состояние этих тяжёлых ионов.
Для исследователей это важный результат. Он подтверждает, что характеристики ионов могут использоваться для изучения условий, существовавших значительно ближе к Солнцу.
Иными словами, частицы солнечного ветра могут переносить через межпланетное пространство информацию о своей ранней истории. Даже после прохождения через сложные магнитные структуры некоторые их свойства продолжают отражать процессы, происходившие в солнечной короне.
Почему возле токового слоя стало меньше железа
Хотя зарядовые состояния отдельных элементов оставались стабильными, относительное содержание разных химических элементов заметно изменялось.
Одним из наиболее интересных результатов стало резкое уменьшение отношения железа к кислороду по мере приближения Solar Orbiter к центральной области гелиосферного токового слоя.
Железо и кислород имеют различные свойства, влияющие на их поведение в солнечной атмосфере и солнечном ветре. В частности, для солнечного вещества имеет значение так называемый потенциал первой ионизации — количество энергии, необходимое для удаления первого электрона у нейтрального атома.
Элементы с низким потенциалом первой ионизации могут обогащаться в определённых областях солнечной атмосферы и солнечного ветра. Железо относится к таким элементам, тогда как кислород обладает значительно более высоким потенциалом первой ионизации.
Однако в центральной части изученной структуры отношение железа к кислороду резко снизилось и приблизилось к значению, характерному для фотосферы Солнца — его видимого слоя.
Как гравитация может изменить состав солнечного вещества
Одно из возможных объяснений связано с тем, как тяжёлые ионы ведут себя внутри крупных замкнутых магнитных структур.
Железо значительно тяжелее многих других элементов. Если тяжёлые ионы длительное время удерживаются внутри замкнутых магнитных петель в солнечной короне, гравитация Солнца может постепенно влиять на их распределение.
Тяжёлые частицы могут смещаться вниз внутри таких структур. Когда содержащая плазму магнитная петля в конечном итоге открывается и вещество получает возможность уйти в межпланетное пространство, его состав уже может отличаться от состава плазмы, находившейся в других областях солнечной атмосферы.
Наблюдаемое уменьшение количества железа относительно кислорода может быть следствием именно таких процессов.
Этот результат показывает, что состав солнечного ветра определяется не только условиями, при которых плазма покидает Солнце. На него могут влиять процессы, происходившие в магнитных структурах ещё до того, как вещество начало свободное движение через Солнечную систему.
Кислород нагревался иначе, чем другие частицы
Ещё одна часть исследования была посвящена температуре тяжёлых ионов внутри гелиосферного токового слоя.
Особый интерес представляло поведение кислорода. На расстоянии 0,3 астрономической единицы от Солнца ионы кислорода ещё не успели полностью обменяться энергией с окружающими протонами солнечного ветра. Поэтому их температура может сохранять информацию о процессах нагрева, происходивших раньше.
Кислород значительно тяжелее протона. При определённых условиях тяжёлые ионы могут нагреваться иначе, чем лёгкие частицы плазмы.
Измерения Solar Orbiter показали многочисленные всплески температуры кислорода внутри гелиосферного токового слоя. В некоторых случаях нагрев превышал уровень, который можно было бы ожидать при простом распределении энергии между частицами разной массы.
Это указывает на то, что кислород мог получать дополнительную энергию через процессы, избирательно воздействующие на определённые виды ионов.
Связь нагрева с зарядовыми состояниями кислорода
Всплески температуры кислорода оказались связаны с изменениями соотношения двух зарядовых состояний этого элемента.
Одновременно наблюдалась другая закономерность: изменения, связанные с нагревом кислорода, имели противоположную связь с зарядовыми состояниями углерода.
Такая картина указывает на сложное взаимодействие между различными частицами солнечной плазмы. Энергия, распространяющаяся через магнитную среду, может передаваться отдельным типам ионов не одинаково.
Одним из возможных механизмов такого избирательного нагрева считаются альфвеновские циклотронные волны. Это колебания, связанные с магнитным полем и движением заряженных частиц в плазме.
Согласно рассматриваемому объяснению, такие волны могут передавать энергию определённым ионам, включая кислород, преимущественно в направлении, перпендикулярном магнитному полю.
При этом другие частицы плазмы также могут поглощать часть доступной энергии. В результате разные химические элементы получают энергию по-разному и нагреваются с различной эффективностью.
Почему наблюдения ближе к Солнцу особенно важны
Солнечный ветер постоянно изменяется по мере распространения от Солнца. Частицы сталкиваются с различными магнитными структурами, плазма расширяется, а первоначальные свойства вещества постепенно смешиваются с последствиями процессов, происходящих уже в межпланетном пространстве.
Поэтому измерения возле Земли не всегда позволяют точно определить, что происходило с солнечным веществом непосредственно после его выхода из короны.
Solar Orbiter работает значительно ближе к Солнцу и способен наблюдать солнечный ветер на более раннем этапе его путешествия через Солнечную систему.
Это особенно важно для изучения гелиосферного токового слоя. Его огромные размеры делают его одной из главных структур межпланетной среды, но одновременно он состоит из множества локальных процессов, происходящих в плазме и магнитных полях.
Новые наблюдения показывают, что внутри токового слоя одновременно могут происходить магнитное пересоединение, изменение химического состава вещества и избирательный нагрев различных ионов.
Гелиосферный токовый слой как след истории солнечной короны
Особенно важным результатом исследования стало подтверждение того, что разные характеристики солнечного ветра могут рассказывать о разных этапах его истории.
Зарядовые состояния тяжёлых ионов формируются близко к Солнцу и после определённого момента практически перестают изменяться. Поэтому они сохраняют сведения о физических условиях в солнечной короне.
Относительное содержание химических элементов может отражать процессы, происходившие внутри замкнутых магнитных структур. Например, распределение тяжёлых элементов способно меняться под воздействием гравитации во время длительного удержания вещества магнитными полями.
Температура отдельных ионов, в свою очередь, может показывать, каким образом плазма получала энергию уже после начала движения в солнечном ветре.
Таким образом, один поток солнечного вещества может одновременно содержать несколько разных «следов» своего происхождения и последующей эволюции.
Изучение этих следов позволяет постепенно восстанавливать цепочку событий — от процессов в солнечной короне до состояния плазмы в межпланетном пространстве.
Что новые данные меняют в понимании Солнца
Наблюдения Solar Orbiter не сводятся к одному отдельному открытию. Их ценность заключается в возможности одновременно изучать магнитные поля, движение частиц, химический состав и температуру плазмы в области, расположенной значительно ближе к Солнцу, чем традиционные точки наблюдений возле Земли.
Гелиосферный токовый слой оказался сложной многослойной структурой, внутри которой происходят процессы на разных физических уровнях. Здесь меняется магнитная конфигурация, ускоряются частицы, перераспределяются химические элементы и по-разному нагреваются различные виды ионов.
Каждый из этих процессов связан с общей проблемой солнечной физики — пониманием того, каким образом горячая солнечная корона превращается в непрерывный поток вещества, заполняющий всю Солнечную систему.
Solar Orbiter продолжает работу, а всё больше данных о ближайших к Солнцу областях получают и другие космические аппараты, включая Parker Solar Probe. Наблюдения на разных расстояниях позволяют проследить, как солнечный ветер меняется по мере удаления от своей звезды.
Чем больше измерений удаётся получить непосредственно вблизи Солнца, тем точнее становится понимание процессов, определяющих состояние всей гелиосферы — огромной области пространства, сформированной солнечным магнитным полем и непрерывным потоком заряженных частиц.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
