Многоволновые наблюдения за солнечными пятнами, проводимые посредством 1,6-метрового телескопа Солнечной обсерватории Большой Медведь (Big Bear Solar Observatory, BBSO), расположенной на северном побережье Озера Большой Медведь (штат Калифорния), а также бортовых приборов космического аппарата NASA «IRIS», позволили получить новые, весьма интригующие образы высокоскоростных плазменных потоков и извержений, простирающихся от поверхности Солнца до самого удалённого слоя солнечной атмосферы — короны. В BBSO находится крупнейший наземный телескоп, предназначенный для изучения Солнца.
2 июня 2014 года исследователи NJIT сообщили о получении этих снимков на 224-й встрече Американского астрономического общества, проходившей в Бостоне (штат Массачусетс). Высококачественное видео, записанное в BBSO, отображает уникальный 3D вид солнечного пятна, показывая быстро вращающиеся плазменные крены, мощные удары и широко распространённые плазменные извержения, обусловленные потоками солнечной энергии и контролируемые магнитными полями. Эти передовые наблюдения показывают, что солнечные пятна в действительности более динамичны и сложны, нежели учёные полагали ранее.
Солнечные пятна, которые впервые были замечены Галилео Галилеем более 400 лет тому назад, всё ещё являются одной из самых больших загадок астрономии. На протяжении уже более ста лет известно, что солнечные пятна — это компактные, концентрированные магнитные поля. Эти области кажутся темными, потому что магнетизм препятствует тому, чтобы тепловая энергия достигла поверхности из сверхгорячего интерьера. Но, почему эти магнитные поля становятся настолько концентрированными и уплотнёнными в структурах, которые остаются устойчивыми в течение многих дней, а иногда и недель, в условиях бурной окружающей среды — тайна.
Солнечные пятна могут достигать размеров Земли, а иногда даже Юпитера. Типичные солнечные пятна имеют почти круглую форму с очень темной и «относительно холодной» тенью (7000 F в сравнении с температурой солнечной поверхности 10000 F), окружённой менее темной и более теплой полутенью. Тем не менее, на Солнце нет никаких внешних сил, которые могли бы «удерживать» эти магнитные структуры вместе. Они появляются и развиваются за счет своих собственных сил. Понимание процессов такой самоорганизации в горячей турбулентной плазме имеет фундаментальное значение для физики и астрофизики.
Исследование солнечных пятен проводится не просто из любопытства или желания увеличить фонд фундаментальных научных знаний. Когда пятна, которые близки друг к другу имеют магнитные поля с противоположными полярностями, они могут производить мощные вспышки и солнечные бури. На Земле «отголоски» этих явлений могут нанести серьезный ущерб коммуникационной и энергетической инфраструктуры. Аналогичные, но более интенсивные магнитные явления были обнаружены и на других звездах, что может выступать фактором, препятствующим развитию жизни в другом месте нашей галактики Млечный Путь.
На 224-й встрече Американского астрономического общества исследователи NJIT представили видеохронику нескольких часов из жизни «изолированного» солнечного пятна, которое не производило солнечную вспышку. В ходе исследований было установлено, что именно солнечные пятна выполняют роль статичных уравновешивающих структур, поддерживающих баланс между магнитной силой и газовым давлением.
Телескоп BBSO, благодаря которому стали возможны эти беспрецедентные наблюдения, был установлен вместо 3-х предыдущих инструментов обсерватории в 2009 году командой учёных под руководством Philip Goode из NJIT, который на тот момент занимал пост директора Center for Solar-Terrestrial Research. Телескоп оборудован адаптивной оптикой, которая представлена деформируемым стеклом, что позволяет компенсировать атмосферное искажение при получении изображений в режиме реального времени. Сбор снимков производится чрезвычайно скоростными камерами — за 15-секундную «вспышку» удается получить порядка 100 изображений. После этого используется специальная техника обработки снимков, которая позволяет в разы повысить четкость.
Данные о солнечном пятне, представленные на встрече Американского астрономического общества, были получены 29 сентября 2013 года. Солнечная поверхность, фотосфера, была запечатлена благодаря использованию красного света в диапазоне молекулярных линий TiO, что позволило добиться хорошего контраста в тени солнечного пятна. Одновременное сканирование водородной Н-альфа спектральной линии позволило получить снимки в пяти различных длинах волн. Н-альфа данные дали возможность сделать снимки плазменных потоков на различных уровнях в атмосфере Солнца. Благодаря этому исследователи смогли отобразить 3D вид солнечного пятна. Данные BBSO были сопоставлены с ультрафиолетовыми снимками высокой и горячей атмосферы, полученными с помощью спутника NASA «IRIS». Эта совместная программа наблюдений позволяет исследовать происхождение солнечной ультрафиолетовой радиации.
Данные, представленные в видео высокой точности, показанном в ходе встречи, отображают маломасштабную деятельность «тихого» солнечного пятна в беспрецедентных деталях. Примечательно, что организация маломасштабных структур сопоставима с той, что замечена в более крупных структурах, что свидетельствует о существовании крупномасштабной динамики, контролирующей формирование и стабильность солнечных пятен. В частности, изображения TiO обеспечивают первый детализированный обзор самых темный уголков пятна, показывая быстрое вращение конвективных кренов в полутени и аналогично вращающихся относительно ярких «мрачных точек». Эти точки формируют развивающийся образ, четко связанный с внешней структурой полутени. Такая эволюция указывает на существование крупномасштабных потоков, которые играют ключевую роль в самоорганизации и стабильности солнечных пятен.
Наиболее характерные особенности в хромосфере Солнца — периодические импульсы — представлены «шоками», генерируемые солнечными пятнами примерно через каждые 3 минуты. Эти «шоки» направляются в высокую солнечную атмосферу на скорости примерно 72 000 км/ч, идентифицируются космическим аппаратом NASA «IRIS» как ультрафиолетовые вспышки над солнечными пятнами. Тень солнечного пятна покрыта вездесущими извержениями — плазменными джетами, которые могут способствовать диагностике «шоков».
Мощная ультрафиолетовая эмиссия и сильное движение наблюдаются выше области, где полутень «вторгается» в тень. Вероятно, этот эффект связан с аномалиями в магнитной топологии солнечного пятна и нуждается в дальнейших исследованиях. Некоторые из самых драматических событий представлены высокоскоростными плазменными джетами, исходящими из полутеней пятна.
Забегая вперёд, исследователи NJIT планируют использовать количественную диагностику, дабы изучить свойства плазменного и магнитного поля посредством анализа поляризованного света.
