Сонячне тепло — одна з найзахоплюючих таємниць Сонячної системи. У той час як поверхня нашої зірки горить при інтенсивній температурі 10 000 градусів за Фаренгейтом, її зовнішня атмосфера – відома як сонячна корона – досягає приголомшливих 2 мільйонів градусів за Фаренгейтом. Це приблизно у 200 разів гарячіше, ніж поверхня.
Це дивне явище, вперше виявлене в 1939 році, десятиліттями спантеличило вчених. Незважаючи на численні дослідження та незліченні години досліджень, механізм цього різкого підвищення температури залишається невловимим.
Але тепер дослідники, можливо, знайшли підказку. Команда під керівництвом Саяка Боса з Прінстонської лабораторії фізики плазми Міністерства енергетики США (PPPL) вважає, що вони розкрили частину таємниці Сонця. Дослідження припускає, що екстремальне нагрівання в областях, які називаються корональними дірами – областями корони з меншою щільністю та відкритими лініями магнітного поля – може бути викликане відбитими плазмовими хвилями.
Загадка таємничого тепла сонця
У значний крок вперед команда виявила, що відбиті хвилі Альфвена можуть пояснити загадкове тепло сонячної атмосфери.
«Вчені знали, що корональні діри мають високі температури, але основний механізм, відповідальний за нагрівання, недостатньо вивчений», — сказав Боуз. «Наші результати показують, що відбиття плазмової хвилі може виконати цю роботу. Це перший лабораторний експеримент, який демонструє, що хвилі Альфвена відбиваються в умовах, відповідних корональним дірам».
Хвилі Альфвена, передбачені лауреатом Нобелівської премії Ханнесом Альфвеном, діють подібно до вібрацій щипкової гітарної струни, за винятком того, що вони є плазмовими хвилями, що приводяться в дію коливальними магнітними полями. Дослідження надає перші експериментальні докази того, що ці хвилі можуть відбиватися в унікальних умовах навколо корональних дір.
Дивне нагрівання корональних дір
Використовуючи великий плазмовий пристрій (LAPD) в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі, Бозе та його команда створили хвилі Альфвена у 20-метровому стовпі плазми, ретельно моделюючи умови навколо сонячних корональних дір.
Експеримент показав, що за певних умов щільності плазми та напруженості магнітного поля ці хвилі справді можуть відбиватися від кордонів і повертатися до свого джерела. Цей рух відображеної хвилі викликав турбулентність у плазмі, яка, своєю чергою, могла нагрівати навколишні частинки, пропонуючи правдоподібне пояснення інтенсивних температур, що спостерігаються у зовнішній атмосфері Сонця.
«Фізики давно висунули гіпотезу про те, що відбиття хвилі Альвена може пояснити дивне нагрівання корональних дір», — сказав Джейсон ТенБардж, запрошений науковий співробітник PPPL. «Ця робота пропонує першу експериментальну перевірку того, що відображення хвиль Альфвена не тільки можливо, але також що відбитої енергії достатньо для нагрівання корональних дір».
Поліпшення нашого розуміння сонця
Для подальшої перевірки своїх висновків команда провела детальне комп’ютерне моделювання, яке відтворило експериментальну установку та підтвердило результати, отримані в лабораторії. Моделювання підтвердило висновки команди, продемонструвавши, що відбиття хвиль Альфвена може відбуватися в умовах, схожих на умови сонячної корони, забезпечуючи надійну модель для механізму нагрівання.
«Ми регулярно проводимо численні перевірки, щоб забезпечити точність наших спостережуваних результатів, і моделювання було одним із таких кроків», — сказав Боуз.
«Фізика відбиття хвиль Альфвена складна і надзвичайно захоплююча! Неймовірно, як рудиментарні фізичні лабораторні експерименти та моделювання можуть значно покращити наше розуміння природних систем, таких як наше Сонце».
Наслідки для космічної погоди
Розуміння таємничого тепла сонячної атмосфери має практичні наслідки, що виходять за рамки академічного інтересу. Це явище впливає на сонячні вітри, які є потоками заряджених частинок, що випромінюються Сонцем і можуть впливати на магнітне поле Землі. Ці вітри впливають на роботу супутників, точність GPS і навіть на електромережі.
Проливаючи світло на роль хвиль Альфвена в нагріванні корони, це дослідження могло б покращити прогнози сонячної активності та допомогти захистити важливі технології тут, на Землі.
Крім того, підтвердження відбиття хвилі Альфвена в лабораторії знаменує значний крок вперед у дослідженнях Сонця. Цей прорив дозволяє вченим вдосконалити свої моделі сонячних явищ, таких як сонячні спалахи та викиди корональної маси. Завдяки цьому експериментальному стрибку дослідники тепер мають потужний новий інструмент для кращого розуміння складної динаміки нашої найближчої зірки. Дослідження опубліковано в журналі The Astrophysical Journal.