В 6,5 раз горячее: новое открытие меняет представления о солнечных вспышках
На первый взгляд, Солнце — это спокойный, предсказуемый источник света и тепла, дарящий жизнь нашей планете. Но за этой идиллией скрывается бурный нрав. Его поверхность постоянно сотрясают гигантские взрывы, выбрасывающие в космос огромную энергию. Речь идет о солнечных вспышках — катастрофических событиях, происходящих в солнечной атмосфере, которые уже десятилетиями интригуют ученых. Новое исследование, проведенное в Университете Сент-Эндрюс, проливает на них новый свет, меняя устоявшиеся представления и предлагая неожиданное решение давней астрофизической тайны.
Ранее считалось, что в ходе солнечных вспышек температура плазмы достигает 10 миллионов градусов — показатель, и без того поразительный. Однако новая работа, опубликованная в журнале Astrophysical Journal Letters, утверждает, что действительность еще более экстремальна. Оказывается, ионы — положительно заряженные частицы, составляющие значительную часть солнечной плазмы, — могут разогреваться до температур, превышающих 60 миллионов градусов по Цельсию. Это в 6,5 раз выше, чем считалось ранее, и ставит под сомнение основополагающее предположение, на котором строилась физика солнечных вспышек на протяжении десятилетий.
Руководил исследованием Александр Рассел, старший преподаватель теории Солнца из Школы математики и статистики Университета Сент-Эндрюс. Его команда обратила внимание на данные из совершенно других областей физики — от изучения магнитосферы Земли до наблюдений за солнечным ветром и результатов компьютерного моделирования. Ключевым открытием стало то, что процесс, известный как магнитное пересоединение — механизм, при котором линии магнитного поля перестраиваются, высвобождая колоссальную энергию, — нагревает ионы значительно сильнее, чем электроны. Более того, этот эффект, похоже, подчиняется универсальному закону: ионы нагреваются примерно в 6,5 раз эффективнее, чем электроны. Такое соотношение уже подтверждено в околоземном космическом пространстве и в моделях, но до сих пор никто не применял его к солнечным вспышкам.
Традиционно в астрофизике предполагалось, что в плазме ионы и электроны быстро обмениваются энергией и достигают термодинамического равновесия, то есть имеют одинаковую температуру. Однако анализ новых данных показал, что в условиях солнечных вспышек это равновесие может не устанавливаться вовсе.
Разница температур между ионами и электронами способна сохраняться в течение десятков минут — более чем достаточно, чтобы сыграть ключевую роль в наблюдаемых явлениях. Это открытие меняет сам подход к интерпретации данных о солнечной активности: вместо того чтобы рассматривать плазму как единое «горячее месиво», теперь необходимо учитывать ее внутреннюю сложность, где разные компоненты ведут себя по-разному.
Однако самое удивительное — это то, как новая модель помогает разгадать загадку, мучившую астрофизиков с 1970-х годов. С тех пор, как впервые начали регистрировать рентгеновские и ультрафиолетовые спектры солнечных вспышек, ученые замечали, что спектральные линии — яркие полосы, соответствующие излучению определенных элементов — оказываются значительно шире, чем можно было бы объяснить тепловыми движениями частиц. Долгое время эта ширина приписывалась турбулентным движениям в плазме: считалось, что хаотические потоки и волны «размазывают» линии. Но попытки напрямую измерить или смоделировать эту турбулентность приводили к противоречиям, а ее природа оставалась неясной.
Теперь исследователи из Сент-Эндрюс предлагают радикально иной взгляд: ширина спектральных линий может быть обусловлена не движением плазмы как целого, а именно высокой температурой ионов. Чем горячее частицы, тем быстрее они движутся, и тем больше эффект доплеровского уширения — физическое явление, при котором излучение смещается по частоте из-за движения источника. Если ионы действительно нагреваются до 60 миллионов градусов и более, их тепловое движение само по себе может объяснить наблюдаемое уширение линий. Это не просто уточнение — это смена парадигмы, которая позволяет отказаться от гипотезы о сильной турбулентности и объяснить данные более простой и физически обоснованной моделью.
Таким образом, работа не только пересматривает масштабы энергии, высвобождаемой в солнечных вспышках, но и предлагает элегантное решение одной из старейших загадок солнечной физики. Это открытие имеет важные последствия не только для понимания Солнца, но и для прогнозирования космической погоды. Ведь солнечные вспышки влияют на работу спутников, систем связи, навигации и даже электросетей на Земле. Более точное понимание механизмов, лежащих в основе этих явлений, позволит создавать более надежные модели прогнозов и лучше защищать технологические системы от космических угроз.
Кроме того, полученные результаты могут оказаться полезными и для других областей — от физики плазмы в лабораториях до изучения звездных вспышек в других частях галактики. Открытие того, что магнитное пересоединение избирательно нагревает ионы, может стать ключом к пониманию энергетических процессов в самых экстремальных условиях Вселенной.