Астрофизики нашли в солнечном ветре неожиданный эффект

На протяжении десятилетий ученые, занимающиеся исследованием Солнца, применяли два конкурирующих подхода для моделирования солнечного ветра. Первый из них рассматривает солнечный ветер как проводящую жидкость, используя метод магнитной гидродинамики для анализа взаимодействий солнечного ветра с другими магнитными структурами и всей Солнечной системой. Об этом сообщает издание Хайтек+.

Однако при внимательном изучении гигантских потоков плазмы становится ясным, что они состоят из множества отдельных заряженных ионов, движущихся согласованно. Моделирование этих частиц является основой второго метода описания солнечного ветра, в рамках которого протоны и электроны вращаются вокруг силовых линий магнитного поля, подвергаясь воздействию фундаментальных сил на более микроскопическом уровне.

Проблема заключается в том, что эти две теоретические модели плохо сочетаются. Тем не менее, понимание их взаимосвязи может помочь физикам ответить на давний вопрос: почему солнечная корона нагрета до миллионов градусов, значительно выше температуры поверхности самого Солнца?

Разгадка этой загадки связана с переносом энергии: если солнечная корона так горячая, то что-то должно ее нагревать. Ученые из Брауншвейгского технического университета обратились к понятию «магнитная спиральность», которая описывает степень закрученности и переплетения линий магнитного поля. Важно отметить, что у этого явления есть характеристика «хиральность», играющая ключевую роль в понимании процессов на границе раздела сред.

В условиях хаоса магнитного поля Солнца эти свойства обычно компенсируются, не оказывая значительного влияния на структуру солнечного ветра. Однако данные, полученные зондом Parker, показали уникальное явление: на стыке физики жидкостей и частиц начинает проявляться четкий спиралевидный сигнал. Исследователи проанализировали спектры плотности нормализованной магнитной спиральности и выявили пару спиралевидных пиков с противоположным направлением вращения, расположенные вблизи границы, где начинают проявляться кинетические эффекты отдельных частиц.

Продолжая наблюдения за перемещением этих небольших образований, ученые обнаружили, что их электромагнитные частоты смещены в низкочастотную область. Этот процесс астрофизики называют «нелокальной эволюцией». Это указывает на то, что спиральные структуры не просто взаимодействуют с характеристиками окружающей плазмы, а активно связаны со структурами, охватывающими различные пространственные масштабы — от колебаний отдельных частиц до масштабных движений плазменной среды. Подобная взаимосвязь может быть вызвана «барьером спиральности».

В турбулентных плазменных потоках процесс передачи энергии можно представить как движение от гигантских вихрей к мелким ионным пульсациям, которые в конечном итоге рассеиваются в виде ничтожно малых количеств тепла. Однако если такая турбулентная плазма обладает «хиральностью», поток энергии блокируется при достижении «ионной границы» — перехода плазмы из состояния сплошной среды в состояние отдельных частиц. Это препятствует рассеянию энергии и заставляет магнитные структуры формировать более крупные образования, некоторые из которых наблюдаются в солнечной короне в виде гигантских магнитных «изгибов».

Эта закономерность накопления магнитной энергии четко прослеживается в данных зонда «Паркер». Однако как только поток солнечного ветра пересекает гелиосферу — гигантскую «мембрану», разделяющую области с противоположной магнитной полярностью, структура самого потока нарушается, и спиральные характеристики исчезают.

Все это указывает на то, что в гелиофизике остается множество загадок. Тем не менее, такие исследования позволяют нам увидеть структуру солнечного хаоса гораздо яснее, чем когда-либо прежде.