Новые изображения Солнца демонстрируют его поверхность с мельчайшими деталями

Международная группа учёных получила детальные изображения крошечных вихрей намагниченной плазмы на поверхности Солнца. Это позволит объяснить, как Солнце накапливает и высвобождает энергию. 

Исследователи использовали солнечный телескоп имени Дэниела К. Иноуэ, расположенный на острове Мауи и принадлежащий Национальному научному фонду США. 4-метровое зеркало телескопа и усовершенствованная оптика позволили различать объекты шириной всего в десятки километров.

На изображениях обнаружились плотные поля небольших вихреобразных структур вдоль краёв магнитных областей. Эти структуры соответствуют тому, что физики ожидают от нестабильности Кельвина‑Гельмгольца — эффекта, вызванного сдвигом, наблюдаемого во многих жидкостях и плазме, но ранее не исследованного в таких малых масштабах на видимой поверхности Солнца. 

Исследовательская группа сосредоточилась на магнитно‑активной области вблизи солнечного пятна, где конвекционные ячейки, или гранулы, постоянно поднимаются и опускаются, а магнитные поля концентрируются. В покадровых последовательностях они обнаружили множество плотно расположенных вихрей на границах этих магнитных участков.

Расстояние между вихрями — длина волны неустойчивости — составляло от 50 до 65 км как в данных телескопа, так и в численных моделях, что подтверждает идею о том, что эти структуры являются подлинными плазменными образованиями, а не артефактами.

Неустойчивость Кельвина‑Гельмгольца возникает, когда соседние слои жидкости или плазмы движутся с разной скоростью, создавая сдвиг на границе раздела. Небольшие возмущения перерастают в волнообразные или спиральные движения, которые могут выглядеть как разбивающиеся волны на воде или изогнутые полосы в облаках. Учёные задокументировали этот эффект в атмосфере и океанах Земли, в атмосферах газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, а также при взаимодействии солнечного ветра с магнитными полями планет. На Солнце это явление предсказывалось во внешней короне, но для прямого подтверждения в фотосфере требовалось более высокое разрешение.

«На поверхности Солнца это явление никогда не наблюдалось на таком уровне», — сказал соавтор исследования Фридрих Вёгер, старший научный сотрудник Национальной солнечной обсерватории. Чтобы проверить свои результаты, исследователи сравнили изображения, полученные с помощью телескопа, с магнитогидродинамическими моделями фотосферы высокого разрешения, созданными с использованием кода MURaM. Эти модели, разработанные группами из Высотной обсерватории NSF NCAR и Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка, решают основные физические задачи, касающиеся потока плазмы, излучения и магнитных полей. Как в смоделированных, так и в наблюдаемых данных, полосообразные структуры на магнитных границах превращались в аналогичные завихрения с сопоставимым расстоянием между ними и движением.

Работа предполагает, что эти небольшие вихри могут играть не только локальную роль. Структуры Кельвина‑Гельмгольца способны эффективно смешивать намагниченную и ненамагниченную плазму, ускоряя диффузию магнитных полей через нижнюю солнечную атмосферу. Аналитика демонстрирует, что мини‑вихри способствуют распространению магнитного потока от краев гранул, процедура, который может быть учтён в моделях солнечного динамо и 11-летнего магнитного цикла Солнца.

Доктор Давид Куридзе, астроном из Национальной солнечной обсерватории, объясняет, что магнитное поле Солнца возникает в результате динамо‑процессов, преобразующих вращение звезды в магнитную энергию, но эта энергия должна быстро распространяться, чтобы соответствовать относительно короткому 11-летнему солнечному циклу. Он говорит, что существующие модели с трудом объясняют, как быстро это происходит, и что неустойчивость Кельвина‑Гельмгольца, обнаруженная в фотосфере, может быть важным источником дополнительной магнитной диффузии, которая отсутствовала в этих объяснениях.

Полученные результаты также связаны с вопросами о нагреве короны и взрывных событиях, таких как нановспышки, крупные вспышки и выбросы корональной массы. Одна из ведущих теорий, называемая магнитным плетением, утверждает, что линии магнитного поля скручиваются и переплетаются под действием лежащих в их основе движений до тех пор, пока не соединятся заново и не высвободят накопленную энергию.

Тем не менее оставалось неясным, как именно происходит это скручивание в малых масштабах. Поскольку новые вихри появляются там, где сильные магнитные поля встречаются с потоками сдвига от грануляции, команда исследователей утверждает, что они могут действовать как устойчивый фактор, выталкивая скручивание в магнитное поле и способствуя перемещению энергии вверх. Далее ученые планируют использовать автоматизированные инструменты распознавания образов для отслеживания сигналов Кельвина‑Гельмгольца в больших массивах данных, полученных с помощью телескопа Иноуэ. Обрабатывая долгосрочные наблюдения с высокой частотой с помощью этих алгоритмов, они надеются измерить, сколько энергии переносится в верхние слои солнечной атмосферы и насколько сильно она влияет на диффузию магнитного поля с течением времени.

Ожидается, что эти результаты позволят улучшить модели космической погоды, используемые для прогнозирования вспышек и выбросов корональной массы, которые могут нарушить работу электросетей, спутников, GPS и систем связи.