Хаос виявився не випадковим: Parker Solar Probe знайшов закономірність у магнітних полях Сонця

Потоки заряджених частинок, які постійно рухаються від Сонця, нагадують вир у чашці кави: на перший погляд, у ньому немає жодного порядку. Магнітні поля сонячного вітру так само закручуються й утворюють складну турбулентність. Однак нові вимірювання NASA Parker Solar Probe показали, що за цим хаосом може ховатися певна закономірність.

Дослідники виявили, що магнітне поле закручується в один бік на певному масштабі хвиль, а на хвилях удвічі меншого розміру — у протилежний. Обидва типи закручування виникають саме на межі, де плазма перестає поводитися як суцільна рідина й починає проявляти властивості окремих частинок.

Аналіз очолив Масатомі Іідзава з Технічного університету Брауншвейга. До роботи долучилися Нобуміцу Йокої з Токійського університету та дослідники з десяти країн. Серед співавторів — Стюарт Бейл з Каліфорнійського університету в Берклі, який керує роботою приладу, що збирав дані.

«Ми бачимо чітку структуру в спектрі, хоча сама турбулентність складається з неструктурованих рухів», — зазначив Іідзава, перший автор дослідження.

Що вимірює закручування магнітного поля

Магнітне поле в рухомому газі має певний напрямок і може обертатися. Коли хвиля проходить повз детектор, напрямок поля змінюється — за годинниковою стрілкою або проти неї відносно напрямку руху газу. Фізики називають цю властивість магнітною гелікальністю.

У великих і повільних хвилях сонячного вітру з 1980-х років дослідники переважно бачили випадкову картину: закручування в обидва боки траплялися приблизно однаково часто. Виразні піки на найменших масштабах уже фіксували за допомогою інших космічних апаратів, але відстежити їхній розвиток у міру руху газу не вдавалося. Старі місії просто не мали достатньої швидкості вимірювань, щоб зафіксувати такі швидкі коливання.

Parker зафіксував два протилежні закручування

Parker Solar Probe має достатню швидкість вимірювань, щоб дослідити ці процеси. Команда використала дані магнітометра, зібрані з кінця вересня до кінця листопада 2021 року. Вимірювання аналізували годинними відрізками, поки апарат рухався на відстані від 0,1 до 0,78 відстані між Землею та Сонцем.

Поблизу Сонця, на відстані приблизно 0,1 астрономічної одиниці, замість випадкового шуму вчені побачили два виразні піки. Один відповідав хвилям із частотою 10 коливань за секунду та закручуванню в один бік, інший — 20 коливанням за секунду із протилежним напрямком обертання.

Таке поєднання фізики називають бігелікальною структурою. Раніше її існування передбачали теоретичні моделі, але отримати переконливі спостережні докази було складно.

Структура змінюється в міру віддалення від Сонця

Порівнюючи вимірювання на різних відстанях, дослідники помітили, що обидва піки поступово зміщуються до нижчих частот, тобто відповідають більшим структурам. Така зміна спостерігалася на відстані приблизно від 0,1 до 0,4 астрономічної одиниці.

Розширення газу під час руху від Сонця частково пояснює це явище. Проте фактичне зміщення відбувалося за експоненційною залежністю — значно швидше, ніж передбачає проста модель розширення.

Науковці також перевірили, чи пов’язане закручування з локальними умовами плазми, зокрема з характерними масштабами протонів. Але після такого порівняння піки не збіглися з очікуваними значеннями. Дослідники назвали цю поведінку нелокальною: вона може свідчити про взаємодію між різними масштабами, а не лише про вплив локальних властивостей плазми.

Чи може магнітне закручування зупиняти турбулентний каскад

Зазвичай турбулентність передає енергію від великих вихорів до дедалі менших, доки на найдрібніших масштабах вона не перетворюється на тепло. Одна з нещодавніх теорій припускає, що на межі між рідинною та частинковою поведінкою плазми магнітне закручування може перешкоджати цьому процесу й повертати частину енергії до більших масштабів.

Саме накопичення магнітної гелікальності на масштабах, більших за локальні протонні, відповідає такому теоретичному прогнозу. Нові спостереження Parker Solar Probe узгоджуються з цією ідеєю, хоча сам рух енергії дослідники безпосередньо не спостерігали.

Результати можуть допомогти вдосконалити моделі сонячного вітру та зрозуміти, як його турбулентність впливає на магнітне середовище Землі.

Що ще потрібно з’ясувати

На відстані понад половину астрономічної одиниці два піки поступово зникали. Приблизно в цій області зонд перетинає струмовий шар, який розділяє дві частини магнітного поля Сонця. Можливо, такі перетини руйнують виявлену структуру. Але не виключено й те, що зникнення піків пов’язане лише з особливостями траєкторії апарата.

Є й інші обмеження. Один космічний апарат вимірює магнітне поле лише в одній точці, тому отримані дані не показують повної тривимірної картини. Перетворення часу проходження хвиль на їхній просторовий розмір також ґрунтується на припущенні про швидкість руху газу. Можлива похибка в цьому розрахунку, за оцінкою команди, сягає приблизно 2,5 раза.

Крім того, дослідники не спостерігали безпосередньо, як ці структури виникають і як розвиваються разом із конкретною порцією плазми. Для подальшої перевірки гіпотези може допомогти європейський апарат Solar Orbiter, який рухається також над і під площиною орбіт планет. Повне дослідження опубліковане в журналі The Astrophysical Journal Letters.