Два космических аппарата NASA воссоздали полную и всестороннюю картину таинственного процесса, который лежит в основе всех вспышек на Солнце – магнитного пересоединения.
Магнитное пересоединение происходит, когда линии магнитного поля из различных магнитных доменов объединяются, а затем перестраиваются, выпуская при этом мощный поток магнитной энергии. Именно этот процесс лежит в основе таких взрывов на Солнце, как солнечные вспышки и выбросы корональной массы, при которых происходит высвобождение колоссальной энергии и распространение потока излучения в космическом пространстве Солнечной системы.
Учёные стремятся лучше изучить процесс, ведь так они смогут заблаговременно знать о приближении космической «непогоды», которая может сказаться на работоспособности орбитальных спутников Земли и привести к сбоям и помехам в радиосвязи. Одна из причин, почему так трудно исследовать эти процессы на Солнце, заключается в том, что магнитные пересоединения нельзя рассматривать как показатель предстоящих солнечных взрывов, ибо магнитные поля невидимы. Именно поэтому исследователи используют комбинацию компьютерного моделирования и скудной выборки наблюдений за процессом магнитных пересоединений, дабы хоть на шаг приблизиться к разгадке происходящих на «светиле» взрывов.
«Научная общественность всё ещё пытается понять, как именно магнитное пересоединение вызывает вспышки» — говорит Yang Su, астрофизик из австрийского University of Graz. «Мы располагаем огромных количеством данных, тем не мене общая картина происходящего вырисовывается весьма туманно».
Yang Su дополнил имеющиеся данные новыми визуальными доказательствами. Анализируя данные полученные космической обсерваторией НАСА SDO для Solar Dynamics Observatory, Yang Su вместе со своими коллегами разгадали природу магнитного пересоединения, воссоздав весь процесс, который происходит на Солнце. Астрофизик рассказал о многообещающих результатах на страницах Nature Physics от 14 июля 2013 года. Несмотря на то, что несколько моделей пересоединения были представлены учёными и ранее, проделанная Yang Su работа отображает исчерпывающий набор данных, которые могут использоваться в дальнейшем для совершенствования модели этого фундаментального процесса на Солнце.
Сами по себе линии магнитного поля являются действительно невидимыми, однако они провоцируют возникновение потоков заряженных частиц – материальной плазмы, окружающей прозрачные линии магнитного поля. В космический телескоп можно увидеть, что солнечная плазма, представленная яркими линиями, образует дуги через всю атмосферу Солнца. Зная, что плазма опоясывает невидимые линии магнитного поля, не составит труда выявить месторасположение линий магнитного поля. Наблюдая за многочисленными снимками солнечных процессов, Yang Su увидел пары дуг силовых линий, устремлённых друг к другу. Как только дуги соприкасались, образовывая «Х», происходил процесс «разъединения», в результате которого образовывалась две новые дуги, одна из которых устремлялась в космос, другая снова «отступала» к поверхности Солнца.
«Безусловно, весьма трудно описать по двухмерным фотографиям, то, что в действительности происходит в трёх пространственных измерениях» — отметил Gordon Holman, астрофизик из Goddard Space Flight Center в Гринбелте (штат Мэриленд), соавтор научной статьи. «Однако если достаточно долго и пристально всматриваться в данные, полученные другими приборами, можно лишь очередной раз убедиться, что воссозданный процесс магнитного пересоединения происходит именно так, как его описал Yang Su».
Дабы удостовериться в увиденных на снимках SDO процессах, учёные обратились к данным ещё одного космического аппарата NASA — Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, также известного как RHESSI. Космический аппарат собирает спектрограммы – данные, которые позволяют отследить потоки горячей плазмы в абсолютно любом процессе, происходящем на Солнце. Снимки RHESSI показали горячие очаги солнечной плазмы, образующиеся выше и ниже точки «Х» магнитного пересоединения. Скомбинировав данные RHESSI и SDO, астрофизики смогли описать процесс увиденного, что в большем диапазоне раскрыло новые трёхмерные аспекты процесса, подтвердив при этом предыдущие модели и теории.
Поверхность Солнца представлена заряженным материалом – плазмой. Магнитные петли, возникающие их плазменных потоков, образуют положительные области магнитного полюса, которые непосредственно «соседствуют» с отрицательными. Петли образуют дуги на Солнце от одной полярности к другой. В то время пока солнечная плазма продолжает течь по поверхности светила, положительные и отрицательные полюса скользят мимо друг друга. Это приводит к тому, что высота таких «петель» плавно возрастает, они перекручиваются и как результат становятся нестабильными. В конечном итоге происходит «нахлёст», в результате которого образуется яркая вспышка, испускающая в космическое пространство миллионы тон заряженных частиц.
В видео SDO, яркий свет озаряет петли, как раз именно в тот момент, когда происходит магнитное пересоединение. Светящиеся петли наклоняются в область пересоединения с обоих сторон, после чего одна новая петля устремляется вниз, а вторая отделяется. В тех случаях, когда скорость высвобожденной петли достигает второй космической скорости, происходит выброс корональной массы, в результате которого тонны заряжённой плазма с примесями тяжёлых металлов устремляются в космос.
«Впервые нам удалось увидеть подробную структуру этого процесса, благодаря высококачественным данным SDO» — дополнил Yang Su. «Мы дополнили общую картину магнитного пересоединения визуальными доказательствами».
Yang Su также сосредоточил внимание на том, что используя такие изображения, астрофизики смогут оценить, как быстро происходит процесс повторного магнитного пересоединения, а также, сколько солнечной плазмы входит в процесс и сколько высвобождается из него. Такая информация вполне сможет дополнить модель магнитного пересоединения и усовершенствовать теоретическое представление этого процесса.
Учёные стремятся как можно больше изучить магнитные пересоединения на Солнце не только по причине того, что этот процесс сказывается на нашей планете. Интерес также обусловлен тем, что процесс является универсальным, т.е. имеет место и вокруг Земли, в магнитосфере, в звёздах и т.д. Так же как и на Солнце, магнитное пересоединение сложно зафиксировать и вне его. Но такие трудности не пугают астрофизиков и в ближайших планах более детально исследовать магнитные пересоединения в космическом пространстве.
Дабы изучить особенности этот процесса более детально, NASА планирует запустить четыре космических корабля в рамках Magnetospheric Multiscale (MMS) mission, старт которой запланирован на конец 2014 года. Планируются, что космические аппараты пройдут сквозь магнитные пересоединения, происходящие в магнитосфере Земли. Объединив данные нескольких космических аппаратов — SDO, RHESSI, ММ, астрофизики будут иметь возможность лучше изучить специфику космической погоды, отголоски которой мы ощущаем на Земле
Эти результаты были получены в рамках совместного исследовательского проекта НАСА и European Commission — High Energy Solar Physics Data in Europe (HESPE).
