Многие корональные петли — веревочные нити плазмы, которые, как считали ученые, существуют в атмосфере Солнца, — на самом деле могут быть оптической иллюзией, говорится в новой работе, которая ставит под сомнение сложившиеся представления о том, что мы знаем и чего не знаем о Солнце.
Исследование, проведенное под руководством Национального центра атмосферных исследований (NCAR) и опубликованное в журнале The Astrophysical Journal, опиралось на современное реалистичное трехмерное моделирование солнечной короны. Моделирование, проведенное в NCAR несколько лет назад, позволило ученым разрезать корону на отдельные участки, пытаясь выделить отдельные корональные петли.
В результате выяснилось, что многие из петель вовсе не были петлями.
Хотя исследовательской группе удалось точно определить некоторые из искомых корональных петель, они также обнаружили, что во многих случаях то, что на снимках Солнца кажется петлями, на самом деле является складками яркой плазмы в солнечной атмосфере. Когда листы яркой плазмы складываются друг на друга, складки выглядят как яркие тонкие линии, имитируя вид отдельных и самостоятельных нитей плазмы.
Полученные результаты, которые исследовательская группа называет гипотезой «корональной вуали», имеют значительные последствия для нашего понимания Солнца, поскольку предполагаемые корональные петли уже несколько десятилетий используются как способ получения информации о плотности, температуре и других физических характеристиках солнечной атмосферы.
«Я всю свою карьеру посвятила изучению корональных петель», — сказала научный сотрудник NCAR Анна Маланушенко, возглавлявшая исследование. «Я была рада, что это моделирование даст мне возможность изучить их более детально. Я даже не ожидала такого результата. Когда я увидела результаты, мой мозг взорвался. Это совершенно новая парадигма понимания атмосферы Солнца».
Исследование финансировалось NASA, в нем принимали участие сотрудники Высотной обсерватории NCAR, Лаборатории солнечной и астрофизики Lockheed Martin, Юго-Западного исследовательского института и NASA Goddard. NCAR спонсируется Национальным научным фондом.
Опровержение интуиции
То, что кажется корональными петлями, можно увидеть на снимках Солнца, сделанных в крайнем ультрафиолетовом свете. Предположение об их существовании является естественным для ученых, поскольку оно соответствует нашим самым элементарным представлениям о магнетизме.
Большинство школьников хоть раз видели, что происходит, когда железные опилки рассыпают рядом со стержневым магнитом. Опилки ориентируются вдоль линий магнитного поля, идущих от одного полюса магнита к другому. Эти извилистые линии расходятся, становясь тем слабее и менее плотными, чем дальше они находятся от магнита.
Видимые корональные петли на изображениях Солнца выглядят очень похоже, и поскольку на Солнце существует значительное магнитное поле, существование линий магнитного поля, которые могут затягивать между собой канат плазмы и создавать петли, кажется очевидным объяснением. И действительно, новое исследование подтверждает, что такие петли, скорее всего, существуют.
Однако корональные петли, наблюдаемые на Солнце, никогда не вели себя именно так, как должны были бы, исходя из наших представлений о магнитах. Например, ученые ожидали, что силовые линии магнитного поля на Солнце будут расходиться, как в эксперименте с железными опилками, по мере продвижения вглубь короны. Если бы это происходило, то плазма, запертая между линиями поля, также раздвигалась бы между границами, образуя более толстые и менее яркие петли. Однако на снимках Солнца такого явления не наблюдается. Напротив, петли, расположенные дальше, по-прежнему выглядят тонкими и яркими.
Возможность того, что эти петли представляют собой складки корональной вуали, позволяет объяснить это и другие несоответствия с нашими ожиданиями относительно петель, но при этом ставит новые вопросы. Например, что определяет форму и толщину складок? И сколько из видимых петель на изображениях Солнца на самом деле являются реальными нитями, а сколько — оптическими иллюзиями?
«Это исследование напоминает нам как ученым, что мы всегда должны подвергать сомнению наши предположения и что иногда наша интуиция может работать против нас», — сказал Маланушенко.
Инновационная модель предлагает новый взгляд на Солнце
Открытие того, что корональные петли могут быть иллюзией, стало возможным благодаря MURaM — радиационной магнитогидродинамической модели, которая была расширена для моделирования солнечной короны в рамках работы, возглавляемой NCAR. Несколько лет назад группа исследователей, возглавляемая Лабораторией солнечной и астрофизики компании Lockheed Martin, использовала MURaM для создания чрезвычайно подробного моделирования солнечной короны.
На момент создания симуляция была революционной, поскольку позволяла одновременно моделировать происходящее в нескольких областях Солнца — от верхней части конвективной зоны (около 10 000 км ниже поверхности Солнца) до солнечной поверхности и далее, почти до 40 000 км в солнечной короне. Эти различные области Солнца охватывают огромный диапазон физических условий, включая различия в плотности и давлении, поэтому ранее ученым не удавалось найти способ математически представить эти области в единой модели.
Среди прочих результатов, новое моделирование впервые позволило отразить весь жизненный цикл солнечной вспышки — от накопления энергии под поверхностью Солнца до возникновения вспышки на поверхности и, наконец, взрывного выброса энергии.
Модель также позволила получить трехмерные наборы данных, содержащие структуру магнитного поля и плазмы, которые могут быть использованы для создания «синтетических» наблюдений. Поскольку солнечная корона оптически тонкая, то есть сквозь нее относительно легко видеть, структуры в короне перекрывают друг друга на изображениях Солнца. Поэтому трудно определить, находится ли «петля», перекрывающая другие петли, впереди или позади. Также трудно определить, имеет ли сама петля компактное поперечное сечение, как садовый шланг, или напоминает длинную ленту, если смотреть на нее с краю. Не исключено также, что то, что кажется тонкой нитью, может быть оптическим артефактом, вызванным складкой в листе яркой плазмы.
Кубы данных, создаваемые MURaM, дают ученым возможность препарировать солнечную атмосферу и изучать перекрывающиеся структуры по отдельности, что невозможно с помощью имеющихся у нас обсерваторий и приборов.
Хотя симуляция MURaM является одной из наиболее реалистичных из когда-либо созданных моделей солнечной короны, это все же только модель. Для того чтобы понять, сколько корональных петель на самом деле являются оптическими иллюзиями, потребуются тщательно разработанные методы наблюдений, позволяющие исследовать корону, и новые методики анализа данных.
«Мы знаем, что разработка таких методов будет чрезвычайно сложной задачей, но это исследование показывает, что то, как мы сейчас интерпретируем наблюдения Солнца, может оказаться недостаточным для того, чтобы по-настоящему понять физику нашей звезды», — сказал Маланушенко.
Ссылка: «Корональная вуаль» А. Маланушенко, М.К.М. Чунг, К.Е. ДеФорест, Ж.А. Климчук и М. Ремпель, 2 марта 2022 г., The Astrophysical Journal . DOI: 10.3847/1538-4357/ac3df9
