Космічне вирівнювання та трохи гімнастики космічного корабля забезпечили новаторські вимірювання, які допомагають розгадати 65-річну космічну таємницю про те, чому атмосфера Сонця така гаряча. Атмосферу Сонця називають короною. Він складається з електрично зарядженого газу, відомого як плазма, і має температуру близько мільйона градусів Цельсія.
Його температура залишається загадкою, оскільки поверхня Сонця має лише близько 6000 градусів. Корона має бути холоднішою за поверхню, тому що сонячна енергія надходить від ядерної печі в її ядрі, і предмети природно стають холоднішими, чим далі вони знаходяться від джерела тепла. Проте корона більш ніж у 150 разів гарячіша за поверхню.
Напевно працює інший метод передачі енергії в плазму, але який?
Давно припускали, що турбулентність в сонячній атмосфері може призвести до значного нагрівання плазми в короні. Але коли справа доходить до дослідження цього явища, сонячні фізики стикаються з практичною проблемою: неможливо зібрати всі необхідні дані за допомогою лише одного космічного корабля.
Є два способи дослідження Сонця: дистанційне зондування та вимірювання на місці. При дистанційному зондуванні космічний корабель розташовується на певній відстані та використовує камери, щоб дивитися на сонце та його атмосферу в різних довжинах хвиль. Для вимірювань на місці космічний корабель пролітає через регіон, який він хоче дослідити, і проводить вимірювання частинок і магнітних полів у цій частині космосу.
Обидва підходи мають свої переваги. Дистанційне зондування показує масштабні результати, але не деталі процесів, що відбуваються в плазмі. Тим часом вимірювання на місці дають дуже конкретну інформацію про маломасштабні процеси в плазмі, але не показують, як це впливає на великі масштаби.
Щоб отримати повну картину, потрібні два космічні апарати. Це саме те, що наразі мають фізики сонячної енергії у вигляді космічного корабля Solar Orbiter під керівництвом ЄКА та сонячного зонда Parker Solar Probe NASA. Solar Orbiter розроблено для того, щоб наблизитися до сонця якомога ближче та виконувати операції дистанційного зондування разом із вимірюваннями на місці. Parker Solar Probe значною мірою відмовляється від дистанційного зондування самого сонця, щоб підійти ще ближче для своїх вимірювань на місці.
Але щоб повною мірою скористатися перевагами їх взаємодоповнюючих підходів, Parker Solar Probe мав би бути в полі зору одного з інструментів Solar Orbiter. Таким чином Solar Orbiter міг зафіксувати масштабні наслідки того, що Parker Solar Probe вимірював на місці.
Даніеле Теллоні, дослідник Італійського національного інституту астрофізики (INAF) в Астрофізичній обсерваторії Туріна, є частиною команди, що стоїть за інструментом Metis компанії Solar Orbiter. Метис — це коронограф, який блокує світло від поверхні Сонця та робить знімки корони. Це ідеальний інструмент для широкомасштабних вимірювань, тому Даніель почав шукати час, коли сонячний зонд Parker Solar Probe вирівнюється.
«Швидкість нагріву корони в повільному сонячному вітрі» Д. Теллоні та ін. опубліковано в The Astrophysical Journal Letters.
Він виявив, що 1 червня 2022 року два космічні кораблі будуть у правильній орбітальній конфігурації — майже. По суті, Solar Orbiter дивився б на сонце, а Parker Solar Probe був би осторонь, надзвичайно близько, але зовсім поза полем зору інструменту Metis. Розглянувши проблему, Даніеле зрозумів, що все, що потрібно, щоб відкрити сонячний зонд Parker, — це невелика гімнастика з Solar Orbiter: поворот на 45 градусів, а потім трохи направлення його від сонця.
Але коли кожен маневр космічної місії ретельно планується заздалегідь, а самі космічні кораблі сконструйовані так, щоб вказувати лише в дуже певних напрямках, особливо під час жахливої сонячної спеки, було незрозуміло, що команда експлуатації космічного корабля дозволить таке відхилення. Однак, як тільки всі зрозуміли потенційну наукову віддачу, рішення було однозначним «так».
Рулон і зсув вказівки пішли вперед; Сонячний зонд Parker Solar Probe потрапив у поле зору, і разом космічний апарат здійснив перші в історії одночасні вимірювання великомасштабної конфігурації сонячної корони та мікрофізичних властивостей плазми.
«Ця робота є результатом внесків багатьох-багатьох людей», — говорить Даніеле, який керував аналізом наборів даних. Працюючи разом, вони змогли зробити першу комбіновану оцінку швидкості коронального нагріву за спостереженнями та на місці.
«Можливість використовувати як Solar Orbiter, так і Parker Solar Probe дійсно відкрила абсолютно новий вимір у цьому дослідженні», — каже Гері Занк, Університет Алабами в Хантсвіллі, США, і співавтор кінцевої статті.
Порівнюючи нещодавно виміряну швидкість з теоретичними прогнозами, які робили фізики-сонці протягом багатьох років, Даніеле показав, що фізики-сонці майже напевно мали рацію у своїй ідентифікації турбулентності як способу передачі енергії.
Специфічний спосіб, яким це робить турбулентність, не відрізняється від того, що відбувається, коли ви розмішуєте свою ранкову чашку кави. Стимулюючи випадкові рухи рідини, або газу, або рідини, енергія передається до все менших масштабів, що завершується перетворенням енергії в тепло. У випадку сонячної корони рідина також намагнічена, тому накопичена магнітна енергія також доступна для перетворення в тепло.
Така передача магнітної енергії та енергії руху від більших до менших масштабів є самою суттю турбулентності. У найдрібніших масштабах це дозволяє флуктуаціям нарешті взаємодіяти з окремими частинками, переважно протонами, і нагрівати їх. Потрібна додаткова робота, перш ніж ми зможемо сказати, що проблему сонячного опалення вирішено, але тепер, завдяки роботі Даніеле, фізики провели перше вимірювання цього процесу.
«Це перша наукова робота. Ця робота являє собою значний крок вперед у розв’язанні проблеми коронального нагріву», — говорить Даніель Мюллер, науковий співробітник проекту. Джерело