Науковці Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, CfA) і Технологічного інституту Нью-Джерсі (New Jersey Institute of Technology, NJIT) оголосили про перше успішне спостереження та вимірювання характеристик «центрального двигуна» сильних сонячних спалахів. Результати дослідження, оприлюднені в журналі Nature Astronomy, розкривають джерело інтенсивної енергії, що живить сонячні спалахи.
Ретельне дослідження сильного сонячного спалаху, що супроводжувався потужним виверженням, зареєстрованого 10 вересня 2017 року Сонячними розширеними антенами Долини Овенс (Expanded Owens Valley Solar Array, EOVSA) NJIT у мікрохвильовому діапазоні показало: джерелом потужної енергії, що живить спалах, є величезний «шар» електричного струму, який розтягується на понад 40 000 кілометрів (це більше, ніж три Землі, розміщені поруч) через основну зону спалаху, де протилежні лінії магнітного поля наближаються, розриваються та знову з’єднуються.
«Під час сильних вивержень на Сонці такі частинки, як електрони, можуть прискорюватися до високих енергій», — сказала Кеті Рівз (Kathy Reeves), астрофізик з CfA та співавтор дослідження. «Як саме це відбувається, до кінця не зрозуміло, але, як вважають астрономи, явище пов’язане з магнітним полем Сонця». Бін Чен (Bin Chen), професор фізики в NJIT і головний автор дослідження, додав: «Давно висловлено припущення, що раптове вивільнення магнітної енергії спричиняє шар струму від повторного з’єднання силових ліній магнітного поля і це є причиною великих вивержень на Сонці, але досі не було визначено його магнітних властивостей. Завдяки новому дослідженню ми нарешті вперше виміряли тонкі ефекти магнітного поля шару електричного струму, що дало нове розуміння центрального двигуна спалахів на Сонці».
Вимірювання, виконані у процесі дослідження, також вказують на магнітну бутелеподібну структуру, що міститься у верхній частині петлеподібної основи спалаху або арки спалаху на висоті майже 20 000 км над поверхнею Сонця. Дослідження дає змогу припустити, що це те місце, де високоенергетичні електрони, які виникли внаслідок сонячного спалаху, потрапляють у пастку і прискорюються майже до швидкості світла.
Спостереження сильного сонячного спалаху 10 вересня 2017 року в екстремально далекому ультрафіолетовому діапазоні (сіре тло, Обсерваторія сонячної динаміки NASA) та в мікрохвильовому діапазоні (зміна від червоного до синього кольору вказує на збільшення частоти, дані спостережень за допомогою Сонячних розширених антен Долини Овенса). Криві світлого кольору позначають силові лінії магнітного поля з відповідної теоретичної моделі сонячного спалаху. Спалах поширюється як виверження канату магнітного потоку (проілюстровано пучком кольорових кривих, що пронизують темну ділянку). Мікрохвильові джерела спостерігаються нижче темної ділянки по всій області, де розміщений широкомасштабний шар струму від перез’єднання — «центральний двигун» спалаху. Фото з сайту www.cfa.harvard.edu.
«Ми виявили, що над яскравими петлями спалаху було багато прискорених частинок», — сказала Рівз. «Мікрохвилі в поєднанні з моделюванням вказують нам на те, що магнітне поле в місці, де ми бачимо найбільш прискорені частинки, є мінімальним, але воно є сильним в лінійній, листоподібній структурі далі над петлями».
Листоподібна (у вигляді шару — Ред.) структура та петлі, здається, діють узгоджено. При цьому значна магнітна енергія закачується в шар струму із розрахунковою швидкістю 10—100 мільярдів трильйонів джоулів у секунду, і 99% релятивістських електронів спалаху спостерігалися в магнітній пляшці. «Хоча в шарі струму, здається, є місце, де виділяється енергія для прискорення електронів, проте більшість цих прискорень, як видається, відбуваються в цьому іншому місці, в магнітній пляшці», — сказав Дейл Ґері (Dale Gary), директор EOVSA та співавтор дослідження. «Інші пропонували таку структуру в сонячних спалах раніше, але ми справді змогли її побачити чітко». Чен додав: «Те, що показали наші дані, тобто особливе розташування в нижній частині шару струму — магнітна пляшка — має вирішальне значення для появи чи обмеження релятивістських електронів».
Результати дослідження отримали за допомогою поєднання мікрохвильових спостережень EOVSA та зображень в екстремально далекому ультрафіолетовому діапазоні, отриманих приймачем Atmospheric Imaging Assembly на облавку Обсерваторії сонячної динаміки (Solar Dynamics Observatory, SDO). Щоб допомогти науковцям зрозуміти структуру магнітного поля під час сильного спалаху на Сонці, дані спостережень порівнювали з результатами аналітичного та чисельного моделювання. Ці розрахунки спиралися на теоретичну модель фізики сонячного спалаху, розроблену в 1990-х роках.
Спостереження від 10 вересня 2017 року; сонячний спалах та стандартна модель сонячної спалаху. Ліворуч: спостереження в екстремально далекому ультрафіолетовому діапазоні (тло сірого кольору) та мікрохвильовому діапазоні (зміна від червоного до синього кольору вказує на збільшення частоти). Криві світлого кольору позначають лінії магнітного поля з відповідної теоретичної моделі. Праворуч: чисельне моделювання спалаху. Шар струму повторного з’єднання показаний як тонка оранжево-фіолетова особливість, розташована між виверженим канатом магнітного потоку та аркою спалаху. Видно мікрохвильові джерела з релятивістських електронів, що мають заповнити всю область, яка оточує шар струму. Фото з сайту www.cfa.harvard.edu.
«Для обчислення фізики магнітного поля під час цього виверження ми використали модель, згідно з якою його лінії сильно скручені, що зовні нагадує мотузку чи канат магнітного потоку», — сказала Рівз. «Важливо, що цей складний процес можна описати простою аналітичною моделлю, і що прогнозовані та виміряні магнітні поля так добре збігаються».
Моделювання, яке виконав Ченґкей Шен (Chengcai Shen), астрофізик з CfA, дало змогу науковій групі виявити тонкий шар струму повторного з’єднання і зафіксувати його особливості. «Результати моделювання відповідають як теоретично прогнозованій конфігурації магнітного поля під час виверження сонячної енергії, так і відтворюють набір спостережуваних особливостей цього конкретного спалаху, зокрема напруженість магнітного поля та плазмовий приплив/відплив навколо перез’єднаного шару струму», — сказав Шень. «Це потужний інструмент для докладного порівняння теоретичних очікувань та спостережень».
Для наукової групи дослідження дає відповіді на давні й досі не розв’язані питання про Сонце та його спалахи. «Місце, де вся енергія накопичується і виділяється в сонячних спалах, досі було невидимим», — сказав Ґері. «В термінах космології це “проблема темної енергії” Сонця, і раніше науковці висловили припущення про існування в спалаху шару магнітного відновлення». Для сонячної фізики вимірювання — це краще розуміння Сонця. Вони також відкривають шлях до розкриття істини про шар струму й магнітну пляшку та її роль у прискоренні частинок. За словами Чена, «Для нас, безумовно, є величезні перспективи для вивчення цих основних питань».
Поточне дослідження ґрунтується на кількісних вимірюваннях напруженості магнітного поля, що виникає одразу після появи сонячного спалаху. Ці дані раніше (у поточному році) оприлюднив журнал Science.
За інф. з сайту www.cfa.harvard.edu
