Дослідники досягли прориву в сонячній фізиці, надавши перші прямі докази існування дрібномасштабних торсійних хвиль Альвена в короні Сонця — невловимих магнітних хвиль, які вчені шукають з 1940-х років. Відкриття, опубліковане в журналі Nature Astronomy, було зроблене за допомогою безпрецедентних спостережень найпотужнішого у світі сонячного телескопа – сонячного телескопа імені Даніеля К. Іноуе Національного наукового фонду США (NSF) на Гаваях.
Ці результати можуть нарешті пояснити одну з найбільших загадок Сонця — як його зовнішня атмосфера, корона, досягає температури в мільйони градусів, тоді як температура його поверхні становить лише близько 5500°C. Альфвенівські хвилі, названі на честь лауреата Нобелівської премії Ганнеса Альфвена, який передбачив їхнє існування в 1942 році, – це магнітні збурення, які можуть переносити енергію через плазму.
Вчені вже раніше помічали більші, ізольовані версії цих хвиль, які зазвичай пов’язані із сонячними спалахами. Однак це перший випадок, коли безпосередньо спостерігається невеликий скручувальний тип, який присутній постійно і може живити Сонце.
Дослідження очолив професор Річард Мортон, член програми «Майбутні лідери» UKRI та професор Школи інженерії, фізики та математики Університету Нортумбрії. Він сказав: «Це відкриття завершує тривалі пошуки цих хвиль, які сягають корінням у 1940-ті роки. Ми нарешті змогли безпосередньо спостерігати ці торсійні рухи, що скручують лінії магнітного поля в короні».
Прорив став можливим завдяки унікальним можливостям кріогенного ближнього інфрачервоного спектрополяриметра (Cryo-NIRSP) сонячного телескопа імені Даніеля К. Іноуе, найсучаснішого коронального інструменту такого типу. Цей передовий спектрометр може бачити неймовірно дрібні деталі в короні та є дуже чутливим до змін у русі плазми.
Сонячний телескоп імені Даніеля К. Іноуе, побудований та експлуатований Національною сонячною обсерваторією NSF, зі своїм чотириметровим дзеркалом — у чотири рази більшим, ніж у попередніх сонячних телескопів — уособлює два десятиліття міжнародного планування та розвитку.
Нортумбрійський університет відіграв вирішальну роль у його розвитку як частина британського консорціуму, який розробляв камери для телескопа Visible Broadband Imager, спираючись на усталену репутацію університету в галузі спостережень за сонячною атмосферою. Професор Мортон виграв час, щоб скористатися телескопом, поки він ще тестувався, і використав інструмент для відстеження руху заліза, нагрітого до 1,6 мільйона градусів Цельсія, в короні.
Ключовий прорив стався завдяки розробці професором Мортоном абсолютно нових аналітичних методів для розділення різних типів хвильового руху в даних. Як він пояснює: «Рух плазми в сонячній короні характеризується переважно коливальними рухами. Вони маскують крутильні рухи, тому мені довелося розробити спосіб усунення коливань, щоб виявити скручування».
У той час як більш знайомі «кінк-хвилі» змушують цілі магнітні структури коливатися вперед і назад і їх видно на плівках, знятих на Сонці, нещодавно виявлені торсійні хвилі Альвена викликають скручувальний рух, який можна виявити лише за допомогою спектроскопічного аналізу — вимірювання того, як плазма рухається до Землі та від неї, створюючи характерні червоні та сині зміщення на протилежних сторонах магнітних структур.
Це відкриття має глибоке значення для розуміння того, як працює Сонце. Корона, найзовніша атмосфера Сонця, видима під час сонячних затемнень, нагрівається до температур, що перевищують один мільйон градусів Цельсія — достатньо високої, щоб пришвидшити плазму від Сонця у вигляді сонячного вітру, який заповнює всю нашу Сонячну систему.
Дослідження являє собою масштабну міжнародну співпрацю зі співавторами з Пекінського університету в Китаї, Левенського університету в Бельгії, Лондонського університету королеви Марії, Китайської академії наук та Національної сонячної обсерваторії NSF на Гаваях та в Колорадо.
Розуміння цих фундаментальних процесів має практичне значення для прогнозування космічної погоди. Сонячний вітер несе магнітні збурення, які можуть порушувати супутниковий зв’язок, системи GPS та електромережі на Землі. Альвенівські хвилі також можуть бути джерелом «магнітних перемикачів» — значних носіїв енергії в сонячному вітрі, які спостерігалися за допомогою зонда NASA Parker Solar Probe.
«Це дослідження забезпечує суттєве підтвердження цілої низки теоретичних моделей, що описують, як турбулентність альфвенівських хвиль живить сонячну атмосферу», – додав професор Мортон. «Прямі спостереження нарешті дозволяють нам перевірити ці моделі на практиці».
Команда очікує, що це відкриття спонукатиме до подальших досліджень того, як ці хвилі поширюються та розсіюють енергію в короні. Здатність приладу Cryo-NIRSP сонячного телескопа імені Даніеля К. Іноуе забезпечувати високоякісні спектри відкриває нові можливості для вивчення хвильової фізики в сонячній атмосфері.