Солнечная тень указала на неточности в модели межпланетного магнитного поля

Величину межпланетного магнитного поля можно определить, если измерить смещение тени, которое Солнце отбрасывает в «свете» космических лучей. Ученые из группы The Tibet ASγ Collaboration выполнили такие измерения и выяснили, что они в полтора раза отличаются от значений, рассчитанных в рамках модели потенциального поля. Это может означать, что некоторые предположения теории не выполняются. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Космические лучи не могут пройти сквозь Солнце, а потому оно отбрасывает характерную тень — интенсивность лучей, приходящих из его окрестностей, резко падает. Кроме того, поскольку космические лучи заряжены (в основном они состоят из протонов и альфа-частиц), их траектории искажаются магнитным полем Солнца, и тень немного смещается в зависимости от величины и направления поля. Впервые ученые увидели солнечную тень и доказали влияние магнитного поля на ее положение во время 13-летнего Тибетского эксперимента по наблюдению атмосферных ливней (The Tibet air shower experiment), который проходил с 1996 по 2009 год.

В то время как корональное магнитное поле Солнца сильнее всего влияет на интенсивность космических лучей, межпланетное магнитное поле (interplanetary magnetic field, IMF) также искажает траектории лучей и приводит к смещению тени в направлении от геометрического центра звезды. Эти смещения тоже были зарегистрированы в рамках Тибетского эксперимента. Тем не менее, тут есть некоторые проблемы. Несмотря на то, что интенсивность IMF можно рассчитать в рамках модели потенциального поля (potential field model, PMF), непосредственно измерить его можно только около поверхности Земли с помощью специальных спутников. В результате величина магнитного поля в большой области пространства между Солнцем и Землей остается неизвестной.

В данной статье ученые из Японии и Китая, входящие в группу The Tibet ASγ Collaboration, оценили среднее значение межпланетного магнитного поля в области между Землей и Солнцем и сравнили его с теоретически рассчитанной величиной. Для этого они проанализировали данные, собранные в рамках тибетского эксперимента за период с марта 2000 по август 2009 года. Детекторы, используемые в эксперименте, позволяли регистрировать космические лучи с энергией не больше 10 тераэлектронвольт. Впрочем, авторы отмечают, что отбрасывание бо́льших энергий не влияет на их результаты, поскольку траектории быстрых частиц меньше искажаются магнитным полем.

Сначала исследователи рассчитали, насколько сильно интенсивность космических лучей отличается от фоновой интенсивности в различных точках небесной сферы, и усреднили результаты за весь период наблюдения. При этом они разделяли периоды, когда межпланетное магнитное поле, измеренное спутниками, было направлено «от нас» (B_x < 0, B_y > 0) и «к нам» (B_x > 0, B_y < 0). Ученые замечают, что в течение двух третей всего времени наблюдения полярность поля постоянно менялась на противоположную (оставалась постоянной не более четырех дней). Поэтому физики проверили, что исключение этих периодов из рассмотрения не влияет на конечные результаты.

В результате ученые обнаружили, что положение центра тени не совпадает с геометрическим центром Солнца и в зависимости от полярности межпланетного поля смещается в разные стороны. Так, в периоды, когда оно было направлено «от нас», тень смещалась в северо-западном направлении, а в периоды «к нам» — в юго-западном. Кроме того, величина смещения была обратно пропорциональна энергии космических лучей, как и предсказывалось теоретическими моделями.

Однако при более пристальном анализе выяснилось, что эксперимент сходится с теорией не так уж хорошо. Помимо прямых измерений, ученые вычислили с помощью модели потенциального поля и метода Монте-Карло, как должна смещаться тень в зависимость от энергии «просвечивающих» частиц. Оказалось, что теоретические и экспериментальные зависимости расходятся примерно в полтора раза для обеих направленностей магнитного поля. По словам авторов, это указывает на то, что некоторые предположения теории PMF на самом деле не выполняются.

Ранее мы писали, как ученые из NASA проанализировали движение плазмы по короне Солнца и на основании анализа построили компьютерную модель его магнитного поля. Разумеется, здесь идет речь о поле в фотосфере, а не в межпланетном пространстве.

Дмитрий Трунин