Странные гамма-лучи от Солнца помогут расшифровать его магнитные поля

Ученые обнаружили, что Солнце выделяет больше света, называемого гамма-излучением высокой энергии, в целом, чем прогнозировалось. Но странно то, что лучи с наивысшими энергиями появляются, когда звезда должна быть самой спокойной, сообщают исследователи в Physical Review Letters.

Исследование является первым, что изучает эти гамма-лучи в течение большей части солнечного цикла, примерно 11-летний период возрастающей и ослабевающей солнечной активности.

По словам ученых, эта новообретенная странность связана с деятельностью солнечных магнитных полей и может привести к новым представлениям о таинственной среде.

«Почти определенная вещь, которая здесь происходит, — это магнитные поля, гораздо более мощные, гораздо более изменчивые и гораздо более странные по форме, чем мы ожидали», — говорит астрофизик Джон Биком из Университета штата Огайо в Колумбусе.

Солнечные высокоэнергетические гамма-лучи не производятся непосредственно звездой. Вместо этого свет запускается космическими лучами — протонами, которые просачиваются сквозь пространство с известными в природе наивысшими энергиями — которые проникают в солнечные протоны и производят высокоэнергетические гамма-лучи.

Все эти гамма-лучи теряются внутри Солнца, где попадают под воздействие магнитных полей. Известно, что магнитные поля берут заряженные частицы, составляющие космические лучи, и вращают их, как торнадо. Теоретики предсказывали, что космические лучи, траектории которых были сбиты запутанной массой магнитных полей на поверхности Солнца, должны посылать высокоэнергетические гамма-лучи, излучаемые с Солнца, где астрономы могут их видеть.

Джон Биком и его коллеги, возглавляемые астрофизиком Тимом Линденом, изучали данные с космического телескопа Fermi Gamma-ray с августа 2008 года по ноябрь 2017 года. Наблюдения охватывали период низкой солнечной активности в 2008 и 2009 годах, период более высокой активности в 2013 году и снижение активности до минимума следующего цикла, который начался в 2018 году. Команда отслеживала количество солнечных гамма-лучей, излучаемых в секунду, а также их энергию и откуда они пришли на Солнце.

По сообщениям команды, были высокоэнергетические гамма-лучи, превышающие 50 миллиардов электрон-вольт или ГэВ. Более странные лучи с энергией выше 100 ГэВ появились только во время солнечного минимума, когда уровень активности Солнца был низким. Один луч, испускаемый во время солнечного минимума, имел энергию до 467,7 ГэВ.

Самое странное: Солнце, кажется, испускает гамма-лучи из разных частей своей поверхности в разное время своего цикла. Поскольку космические лучи, попадающие на солнце, поступают со всех сторон, вы ожидаете, что все солнце будет светиться в гамма-лучах равномерно. Но команда ученых обнаружила, что во время солнечного минимума гамма-лучи были в основном из области экватора, а во время максимума солнечной активности, когда уровень активности Солнца был на пике, они сгруппировались вблизи полюсов.

«Все эти вещи выглядят более странными, чем кто-либо предсказывал», — говорит Биком. «И это означает, что магнитные поля должны быть более странными, чем кто-либо думал».

В ближайшее время зонд Parker Solar от NASA, запущенный 12 августа, проведет первые прямые измерения магнитного поля во внешней атмосфере солнца, или короны. И когда солнце войдет в следующий солнечный минимум, гамма-лучи с наивысшей энергией начнут возвращаться. В феврале телескоп Fermi поймал свой первый гамма-луч с энергией выше 100 Гэв начиная с 2009 года.

“Действительно есть что-то странное, — говорит солнечный физик Крейг Дефорест из Юго-Западного исследовательского института, который базируется в Боулдере. “Когда случается какое-то новое открытие, ученые уже не кричат  «Эврика!»  Скорее они говорят, «Хм, это странно. Это не может быть правдой. — Это классический случай.»

T. Linden et al. Evidence for a new component of high-energy solar gamma-ray production. Physical Review Letters. In press, 2018.