С 1960-х годов астрономы задавались вопросом, как сверхзвуковой «солнечный ветер» Солнца, поток энергичных частиц, который вытекает в Солнечную систему, продолжает получать энергию после того, как он покидает Солнце. Помимо того, что такая информация помогает ученым лучше прогнозировать солнечную активность и космическую погоду, она также помогает нам понять тайны Вселенной в других местах и то, как действуют звезды, подобные Солнцу, и звездные ветры повсюду.
С 1960-х годов астрономы задавались вопросом, как сверхзвуковой «солнечный ветер» Солнца, поток энергичных частиц, который вытекает в Солнечную систему, продолжает получать энергию после того, как он покидает Солнце. Теперь, благодаря удачному совпадению космических аппаратов NASA и ESA (Европейское космическое агентство)/NASA, которые в настоящее время изучают Солнце, они, возможно, нашли ответ — знание, которое является важнейшей частью головоломки, помогающей ученым лучше прогнозировать солнечную активность между Солнцем и Землей.
В статье, опубликованной в выпуске журнала Science от 30 августа 2024 года, приводятся убедительные доказательства того, что самые быстрые солнечные ветры возникают из-за магнитных «переключений» или крупных изгибов магнитного поля вблизи Солнца.
Зонд Parker Solar Probe, готовящийся войти в солнечную корону. NASA/Лаборатория прикладной физики Джонса Хопкинса/Бен Смит
«Наше исследование рассматривает огромный открытый вопрос о том, как заряжается солнечный ветер, и помогает нам понять, как Солнце влияет на окружающую среду и, в конечном счете, на Землю», — сказал Йейми Ривера, соруководитель исследования и научный сотрудник Смитсоновской астрофизической обсерватории, входящей в Центр астрофизики Гарварда. «Если этот процесс происходит в нашей местной звезде, весьма вероятно, что он питает ветры от других звезд по всей галактике Млечный Путь и за ее пределами и может иметь последствия для обитаемости экзопланет».
Ранее зонд Parker Solar Probe от NASA обнаружил, что эти обратные переходы распространены во всем солнечном ветре. Parker, который стал первым аппаратом, вошедшим в магнитную атмосферу Солнца в 2021 году, позволил ученым определить, что обратные переходы становятся более отчетливыми и более мощными вблизи Солнца. Однако до сих пор у ученых не было экспериментальных доказательств того, что это явление на самом деле выделяет достаточно энергии, чтобы играть важную роль в солнечном ветре.
Parker создан для полета через атмосферу Солнца, или «корону». Миссия Solar Orbiter ЕКА и НАСА также находится на орбите, которая проходит относительно близко к Солнцу, и измеряет солнечный ветер на больших расстояниях.
В представлении художника показан аппарат Solar Orbiter вблизи Солнца. Концептуальная лаборатория изображений Центра космических полетов имени Годдарда НАСА
Открытие стало возможным благодаря совпадению в феврале 2022 года, которое позволило Parker Solar Probe и Solar Orbiter измерить один и тот же поток солнечного ветра с разницей в два дня. Solar Orbiter находился почти на полпути к Солнцу, в то время как Parker огибал край магнитной атмосферы Солнца.
«Мы изначально не осознавали, что Parker и Solar Orbiter измеряют одно и то же. Parker увидел эту более медленную плазму около Солнца, которая была полна обратных волн, а затем Solar Orbiter зафиксировал быстрый поток, который получил тепло и с очень небольшой волновой активностью», — сказал Сэмюэл Бэдман, астрофизик из Центра астрофизики и другой соруководитель исследования. «Когда мы связали эти два явления, это был настоящий момент озарения».
Ученые давно знают, что энергия перемещается по короне Солнца и солнечному ветру, по крайней мере частично, посредством так называемых «волн Альвена». Эти волны переносят энергию через плазму — перегретое состояние вещества, из которого состоит солнечный ветер.
Однако то, насколько волны Альвена развиваются и взаимодействуют с солнечным ветром между Солнцем и Землей, нельзя было измерить — пока эти две миссии не были отправлены ближе к Солнцу, чем когда-либо прежде, в одно и то же время. Теперь ученые могут напрямую определить, сколько энергии хранится в магнитных и скоростных флуктуациях этих волн вблизи короны, и насколько меньше энергии переносится волнами, находящимися дальше от Солнца.
На этой картине художника изображены резкие перепады или большие изгибы в магнитном поле Солнца. Центр космических полетов имени Годдарда НАСА/Лаборатория концептуальных изображений/Адриана Манрике Гутьеррес
Новое исследование показывает, что волны Альвена в форме обратных волн обеспечивают достаточно энергии, чтобы объяснить нагрев и ускорение, зафиксированные в более быстром потоке солнечного ветра по мере его удаления от Солнца.
«Потребовалось более полувека, чтобы подтвердить, что ускорение и нагрев альвеновских волн являются важными процессами, и они происходят примерно так, как мы думаем», — сказал Джон Белчер, почетный профессор Массачусетского технологического института, который был одним из открывателей альвеновских волн в солнечном ветре, но не принимал участия в этом исследовании.
Помимо того, что такая информация помогает ученым лучше прогнозировать солнечную активность и космическую погоду, она также помогает нам понять тайны Вселенной в других местах и то, как действуют звезды, подобные Солнцу, и звездные ветры повсюду.
«Это открытие является одним из ключевых фрагментов головоломки, позволяющих ответить на 50-летний вопрос о том, как солнечный ветер ускоряется и нагревается во внутренних частях гелиосферы, что приближает нас к одной из главных научных целей миссии Parker Solar Probe», — сказал Адам Сабо, научный руководитель миссии Parker Solar Probe в NASA.
Раскрыт механизм формирования “медленного” солнечного ветра. Результаты наблюдений при помощи Solar Probe свидетельствуют в пользу теории о том, что “медленный” солнечный ветер состоит из материи, которая обычно заточена в так называемых закрытых областях короны, где линии магнитного поля обычно остаются замкнутыми
Международный коллектив астрономов обнаружил при помощи зонда Solar Orbiter первые вещественные свидетельства того, что так называемый медленный солнечный ветер возникает в закрытых областях короны на Солнце в результате разрывов и повторных соединений линий магнитного поля. Об этом сообщила пресс-служба британского Университета Нортумбрии.
“Собранные при помощи Solar Orbiter данные указали на то, что потоки “медленного” солнечного ветра исходят из тех регионов Солнца, где соприкасаются участки закрытой и открытой короны светила. Это говорит в пользу теории, связывающей формирование “медленного” солнечного ветра с пересоединением линий магнитного поля, которое позволяет материи “сбежать” из закрытых областей короны”, – говорится в сообщении.
К такому выводу пришла группа астрономов под руководством научного сотрудника Института изучения Солнечной системы в Геттингене Удо Шюле при изучении данных, которые были собраны зондом Solar Orbiter в марте 2022 года. В это время, как отмечают ученые, космический аппарат находился на расстоянии всего в 0,5 астрономических единиц от Солнца (средних дистанций между Землей и светилом), что позволило ученым изучить структуру сразу двух потоков “медленного” солнечного ветра.
При их изучении ученые воспользовались тем, что доли ионов магния, неона и некоторых других тяжелых элементов в материи короны Солнца значительным образом отличаются для разных ее регионов. Это позволяет определить то, где зародился тот или иной поток солнечного ветра и раскрыть механизмы его формирования. Руководствуясь этой идеей, ученые замерили доли магния и неона в пяти потоках солнечного ветра при помощи инструментов Solar Orbiter.
Проведенные учеными расчеты указали на то, что потоки “медленного” солнечного ветра возникали в тех районах поверхности Солнца, где находятся пограничные участки между корональными дырами и остальной частью короны светила. По словам исследователей, это говорит о том, что “медленный” ветер возникает в результате разрывов и повторных соединений линий магнитного поля в данных участках короны, которые позволяют материи из ее внутренних регионов “сбежать” в открытый космос.
Как отмечают иследователи, результаты наблюдений при помощи Solar Probe свидетельствуют в пользу теории о том, что “медленный” солнечный ветер состоит из материи, которая обычно заточена в так называемых закрытых областях короны, где линии магнитного поля обычно остаются замкнутыми. Их периодические разрывы и повторные соединения создают условия для формирования очень неоднородных и нестабильных выбросов “медленного” солнечного ветра, подытожили исследователи.
Solar Orbiter – совместный проект НАСА и Европейского космического агентства стоимостью примерно $1,5 млрд. Всего зонд оснащен десятью различными приборами, шесть из которых будут постоянно направлены на Солнце, а четыре других необходимы для изучения состояния среды вокруг самого аппарата. Кроме того, на зонде установлен специальный теплозащитный щит, который позволяет аппарату сближаться с Солнцем на расстояние до 42 млн км.
У НАСА есть несколько миссий , изучающих, как Солнце и солнечные бури влияют на Землю и космические путешествия, Международная космическая станция вносит вклад в это исследование несколькими способами.
Улучшенные измерения солнечной энергии. Датчик полного и спектрального солнечного излучения (TSIS) станции измеряет солнечное излучение, солнечную энергию, которую получает Земля, и солнечное спектральное излучение, меру энергии Солнца в отдельных длинах волн. Знание величины и изменчивости солнечного излучения улучшает понимание климата, атмосферы и океанов Земли и позволяет более точно прогнозировать космическую погоду. Более точные прогнозы, в свою очередь, могут помочь защитить людей и спутники в космосе, а также передачу электроэнергии и радиосвязь на Земле.
Первые пять лет наблюдений TSIS продемонстрировали улучшенные долгосрочные спектральные показания и меньшую неопределенность по сравнению с измерениями предыдущей миссии NASA, спутника Solar Radiation and Climate. Точность наблюдений TSIS может улучшить модели изменчивости солнечного излучения и способствовать долгосрочному учету данных о солнечном излучении.
Спутники запечатлели полярные сияния, видимые по всему миру 11 мая 2024 года. НОАА
Мониторинг Солнца ESA (Европейского космического агентства) на внешнем полезном грузе Columbus, или Solar, собирал данные о выходе солнечной энергии в течение более чем десятилетия с помощью трех инструментов, охватывающих большинство длин волн электромагнитного спектра. Различные длины волн, излучаемые Солнцем, поглощаются и влияют на атмосферу Земли и вносят вклад в наш климат и погоду. Этот мониторинг помогает ученым увидеть, как солнечное излучение влияет на Землю, и предоставляет данные для создания моделей для прогнозирования его влияния.
Один из приборов, Solar Variable and Irradiance Monitor , охватывал ближнюю ультрафиолетовую, видимую и тепловую части спектра и помог повысить точность этих измерений.
Инструмент SOLar SPECtral Irradiance Measurement охватывает более высокие диапазоны солнечного спектра. Его наблюдения выявили существенные отличия от предыдущих эталонных солнечных спектров и моделей. Исследователи также сообщили , что повторные наблюдения позволили определить эталонный спектр для первого года миссии SOLAR, который соответствовал солнечному минимуму перед 24-м солнечным циклом.
Установка солнечных приборов на космической станции во время выхода в открытый космос. НАСА
Солнечная активность растет и падает в течение примерно 11-летних циклов. Текущий солнечный цикл 25 начался в декабре 2019 года, и ученые предсказали пик солнечной активности между январем и октябрем 2024 года, что включало майские штормы.
Третий инструмент, SOLar Auto-Calibrating EUV/UV Spectrometers, измерял часть солнечного спектра между экстремальным ультрафиолетом и ультрафиолетом. Большая часть этого высокоэнергетического излучения поглощается верхними слоями атмосферы, что делает невозможным измерение с земли. Результаты показали, что эти инструменты могут преодолеть проблему снижения чувствительности, наблюдаемую в других солнечных измерительных приборах, и обеспечить более эффективный сбор данных.
Для проекта CSA (Канадское космическое агентство) AuroraMAX члены экипажа фотографировали северное сияние над Йеллоунайфом, Канада, в период с осени 2011 года по конец весны 2012 года. Космические снимки, скоординированные с сетью наземных обсерваторий по всей Канаде, были использованы в интерактивной экспозиции на фестивале искусств и науки, чтобы пробудить интерес общественности к тому, как солнечная активность влияет на Землю. Проект также обеспечивает прямую трансляцию северного сияния онлайн каждый сентябрь-апрель.
Полярное сияние, сфотографированное с Международной космической станции. НАСА
Миниатюрный рентгеновский солнечный спектрометр CubeSat измерил вариации солнечной рентгеновской активности, чтобы помочь ученым понять, как она влияет на верхнюю атмосферу Земли. Солнечная рентгеновская активность усиливается во время солнечных вспышек. Студенты Лаборатории атмосферной космической физики Университета Колорадо построили спутник, который был запущен с космической станции в начале 2016 года.
Вывод на орбиту миниатюрного рентгеновского солнечного спектрометра и других спутников CubeSat с космической станции. НАСА
Более качественные данные помогают ученым понять, как солнечные события влияют на спутники, пилотируемые миссии и инфраструктуру в космосе и на Земле. Текущие усилия по измерению того, как атмосфера Земли реагирует на солнечные бури, являются важной частью планов NASA по миссиям Artemis на Луну и последующим миссиям на Марс.
Solar Orbiter под руководством ЕКА впервые установил связь между измерениями солнечного ветра вокруг космического аппарата и изображениями поверхности Солнца с высоким разрешением на близком расстоянии. Этот успех открывает новый путь для физиков-солнцеведов в изучении областей-источников солнечного ветра.
Солнечный ветер — это бесконечный дождь электрически заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. Он очень изменчив, меняя свои характеристики, такие как скорость, плотность и состав, в зависимости от того, с какой части поверхности Солнца он исходит.
Однако, несмотря на десятилетия исследований, некоторые аспекты происхождения солнечного ветра остаются плохо изученными. И к тому времени, как ветер достигает Земли, многие детали размываются, что делает практически невозможным отследить его до конкретных областей на поверхности Солнца.
По мере того, как солнечный ветер проходит через Солнечную систему, он взаимодействует с небесными телами и космическими аппаратами. Эти взаимодействия варьируются от благоприятных, в случае возникновения полярных сияний на нашей планете, до крайне разрушительных, когда солнечные бури могут мешать работе или даже повреждать электрические системы на Земле или в космических аппаратах.
Таким образом, понимание солнечного ветра является приоритетом для физиков, изучающих солнце. Ключевой целью миссии Solar Orbiter было связать солнечный ветер вокруг космического корабля с его источниками на Солнце. Этот новый результат, использующий данные, полученные во время первого близкого сближения Solar Orbiter с Солнцем, показывает, что это возможно, ключевая цель миссии и новый способ изучения происхождения солнечного ветра.
Поверхность Солнца, отмеченная темными, неоднородными солнечными пятнами. Снято в 2015 году с площадки Европейского центра космической астрономии (ESAC) в Мадриде, Испания.
Solar Orbiter может устанавливать эти связи, поскольку у него есть как стационарные, так и дистанционные приборы. Внутристанционные приборы измеряют плазму солнечного ветра и магнитное поле вокруг космического корабля, в то время как дистанционно-зондовые приборы получают изображения и другие данные о самом Солнце. Сложность в том, что камеры показывают Солнце таким, каким оно выглядит сейчас, в то время как внутристанционные приборы показывают состояние солнечного ветра, который был выпущен с поверхности Солнца несколькими днями ранее. Это связано с тем, что требуется некоторое время, чтобы частицы солнечного ветра достигли космического корабля.
Чтобы связать два набора данных, астрономы используют онлайн-программное обеспечение под названием Magnetic Connectivity Tool, которое было разработано для поддержки миссии Solar Orbiter. Исходные данные для инструмента связности поступают от Global Oscillation Network Group, серии из шести солнечных телескопов, разбросанных по всему миру, которые постоянно отслеживают колебания на поверхности Солнца. На основе этих наблюдений компьютерная модель вычисляет, как солнечный ветер распространяется по Солнечной системе.
«Вы можете предсказать, к какому месту на поверхности Солнца, по вашему мнению, подключится Solar Orbiter, за несколько дней», — говорит Стефани Ярдли из Нортумбрийского университета (Великобритания), которая является ведущим автором статьи, объявляющей о результатах.
Команда выбрала цели для наблюдения на поверхности Солнца и использовала инструмент магнитной связи, чтобы предсказать, когда космический аппарат будет пролетать через солнечный ветер, который высвобождается из этих поверхностей. Уникальный набор инструментов Solar Orbiter, который охватывает как измерения на месте, так и дистанционное зондирование, а также его орбита, которая приближает его к Солнцу, были специально разработаны для того, чтобы позволить попробовать этот тип научной связи.
Инструменты Solar Orbiter
Данные были собраны в период с 1 по 9 марта 2022 года, когда Solar Orbiter находился на расстоянии около 75 миллионов км от Солнца, что составляет около половины расстояния Земли от Солнца.
В целом солнечный ветер бывает двух типов: быстрый солнечный ветер, движущийся со скоростью более 500 км/с, и медленный солнечный ветер, движущийся со скоростью менее 500 км/с.
В то время как известно, что быстрый солнечный ветер исходит из магнитных конфигураций, известных как корональные дыры, которые направляют солнечный ветер в космос, происхождение медленного солнечного ветра все еще плохо изучено. Известно, что он связан с «активными областями» на Солнце, где появляются солнечные пятна, но детали неуловимы. Солнечные пятна — это более холодные области в фотосфере Солнца, где интенсивные магнитные поля становятся закрученными и концентрируются. Они указывают на активные области Солнца, часто ответственные за солнечные вспышки и извержения.
Чтобы доказать способность команды связать медленный солнечный ветер, измеренный in situ, с местом его происхождения на поверхности Солнца, космическому аппарату нужно было пролететь через магнитное поле, связанное с краем либо корональной дыры, либо комплекса солнечных пятен. Это позволило команде наблюдать, как солнечный ветер менял свою скорость — с быстрой на медленную или наоборот — и другие свойства, подтверждая, что они смотрели на нужную область. В конце концов, они получили идеальное сочетание обоих типов характеристик вместе.
«Solar Orbiter пролетел мимо корональной дыры и активной области, и мы увидели быстрые потоки солнечного ветра, за которыми последовали медленные. Мы увидели много сложностей, которые мы могли связать с областями-источниками», — говорит Стефани. Это включало изменения в составе и температуре в этих конкретных областях.
Проведя анализ различных потоков солнечного ветра, обнаруженных Solar Orbiter, команда ясно показала, что солнечный ветер по-прежнему имеет «следы», оставленные различными областями его источников, что облегчит физикам, изучающим солнечную радиацию, отслеживание потоков до точек их происхождения на Солнце.
FURST получит первые спектры высокого разрешения «Солнца как звезды» в вакуумном ультрафиолете (ВУФ), световой длине волны, которая поглощается в атмосфере Земли, что означает, что ее можно наблюдать только из космоса. Астрономы изучали другие звезды в вакуумном ультрафиолете с помощью орбитальных телескопов, однако эти инструменты слишком чувствительны, чтобы быть направленными на Солнце. Последние достижения в области спектроскопии ВУФ высокого разрешения теперь позволяют проводить такие же наблюдения за нашей собственной звездой, Солнцем.
Если бы мы сравнили Солнце с другими звездами, которые НАСА изучало на протяжении многих лет? Будет ли оно по-прежнему таким уникальным? Ракетный спектрограф Full-sun Ultraviolet (FURST) призван ответить на эти вопросы, когда он будет запущен на борту ракеты-зонда Black Brant IX 11 августа на ракетном полигоне Уайт-Сэндс в Нью-Мексико. NASA и партнеры отменили первую попытку запуска миссии FURST Sounding Rocket 11 августа из-за проблем с системами охлаждения, но в ожидании следующей попытки, более успешной.
Ракетный спектрограф Full-sun Ultraviolet (FURST) проходит испытания на ракетном полигоне White Sands в Нью-Мексико в рамках подготовки к запуску 11 августа. FURST будет запущен на борту зондирующей ракеты Black Bryant IX и будет наблюдать за Солнцем в вакуумном ультрафиолете (VUV). Университет штата Монтана
«Когда мы говорим о «Солнце как звезде», мы относимся к нему как к любой другой звезде на ночном небе, а не как к уникальному объекту, на который мы полагаемся для сохранения жизни на Земле. Так волнительно изучать Солнце с этой точки зрения», — сказал Адам Кобельски, главный исследователь FURST и астрофизик-исследователь в Центре космических полетов имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама.
Поскольку телескоп Хаббл слишком чувствителен, чтобы направить его на Солнце Земли, потребовались новые инструменты, чтобы получить спектр всего Солнца, который по качеству был бы похож на наблюдения Хаббла за другими звездами. В Центре космических полетов имени Маршалла построили камеру, авионику, а также спроектировали и создали новую систему калибровки для миссии FURST. Университет штата Монтана (MSU), который возглавляет миссию FURST в партнерстве с Маршаллом, построил оптическую систему, которая включает семь оптических элементов, которые будут подавать сигнал в камеру, которая по сути создаст семь экспозиций, охватывающих весь диапазон длин волн ультрафиолета.
Выпускник Университета штата Монтана Джейк Дэвис (слева), профессор Чарльз Канкелборг и докторанты Кэтрин «Кэппи» Банн и Суман Панда позируют на ракетном полигоне Уайт-Сэндс в Нью-Мексико, где они готовятся к запуску ракеты FURST для наблюдения за Солнцем в далеком ультрафиолете. Университет штата Монтана
Чарльз Канкелборг, профессор гелиофизики в МГУ и главный исследователь FURST, описал миссию как очень тесное сотрудничество с широкомасштабными последствиями.
«Наша миссия получит первый дальний ультрафиолетовый спектр Солнца как звезды», — сказал Канкелборг. «Это ключевая часть информации, которая отсутствовала десятилетиями. С ее помощью мы поместим Солнце в контекст других звезд».
FURST станет третьим запуском под руководством Маршалла для программы NASA’s Sounding Rocket Program в течение пяти месяцев, что делает 2024 год активным годом для программы. Как и миссия Hi-C Flare, запущенная в апреле, зондирующая ракета будет запускаться и открываться во время полета, чтобы позволить FURST наблюдать за Солнцем в течение примерно пяти минут, прежде чем закрыться и упасть обратно на поверхность Земли. Члены команды Маршалла смогут калибровать приборы во время запуска и полета, а также получать данные во время полета и вскоре после приземления.