Шланговые неустойчивости и столкновения частиц выровняли температуру солнечного ветра

Физики из США и Южной Кореи показали, что двухчастичные столкновения и шланговые неустойчивости выравнивают продольную и поперечную температуру заряженных частиц солнечного ветра. Для этого ученые составили и численно проинтегрировали уравнения, описывающие изменение температуры на дистанции от 0,3 до 1 астрономической единицы. Таким образом, предложенный анализ частично решает проблему температурной однородности солнечного ветра. Статья опубликована в Physical Review Letters.

В отличие от большинства звезд, которые отделены от Земли по меньшей мере несколькими световыми годами, Солнце находится буквально у нас под боком, всего в восьми световых минутах. Более того, Земля постоянно омывается солнечным ветром — потоком заряженных частиц, рождающихся в солнечной короне. Аккуратно моделируя солнечный ветер, ученые могут восстановить картину происходящих в Солнце процессов, а затем распространить найденные закономерности на другие звезды, которые мы можем изучать только косвенно. Впрочем, несмотря на благоприятные исследовательские условия, физики до сих пор не могут объяснить многие закономерности солнечных процессов — например, предсказать химический состав звезды или найти границу между конвективной и радиационной зоной.

В частности, одна из нерешенных проблем солнечной физики — это температурная изотропия солнечного ветра. Грубо говоря, температурной анизотропией физики называют ситуацию, когда ионы, движущиеся параллельно и перпендикулярно магнитному полю, имеют разную температуру. Стандартные модели предсказывают, что для радиально расширяющегося солнечного ветра отношение поперечной и продольной температуры должно расти из-за сохранения адиабатического инварианта. Например, соотношение Чью-Гольдбергера-Лоу утверждает, что уже на расстоянии пяти солнечных радиусов продольная и поперечная температура протонов должны отличаться более чем в 200 раз. Однако на практике это оказывается не так, и даже на расстоянии орбиты Земли отношение температур находится на уровне 0,9. Аналогичное соотношение выполняется и для электронов. С чем связанно такое существенное расхождение между теорией и практикой, ученые до сих пор не знают.

Группа под руководством Питера Юна (Peter Yoon) предложила возможное решение этого парадокса. Во-первых, они учли, что протоны и электроны динамически связаны между собой за счет шланговой неустойчивости (firehose instability). Грубо говоря, при шланговых неустойчивостях пронизывающие плазму линии магнитного поля непредсказуемо искривляются, словно шланг под большим напором воды, и увлекают за собой ионы плазмы. Чем больше температурная анизотропия плазмы, тем легче возникают такие нестабильности. Всего два года назад группа Юна показала, что с помощью этих неустойчивостей можно объяснить температурную изотропию протонов. Тем не менее, для электронов этот механизм не работает.

Чтобы объяснить, почему температура выравнивается у обоих типов частиц, исследователи добавили в теорию двухчастичные столкновения. Вообще говоря, частицы солнечного ветра сталкиваются редко — за время, пока они доберутся до орбиты Земли, в лучшем случае происходит одно-два столкновения. Тем не менее, в 2016 году Питер Юн показал, что даже такие редкие столкновения уменьшают разницу между температурами ионов. Поэтому в новой модели ученые учли оба процесса.

Рассматривая динамические нестабильности и двухчастичные столкновения, исследователи составили систему дифференциальных уравнений, которая описывает эволюцию продольной и поперечной температуры частиц расширяющегося солнечного ветра. В качестве начальных данных ученые брали значения температуры, магнитного поля и анизотропии на расстоянии 0,3 астрономических единицы от Солнца, измеренные зондом HELIOS. На этом расстоянии поперечная температура и протонов, и электронов примерно в 2–3 раза больше продольной; кроме того, по этому расстоянию проходит граница области, в которой можно применять теорию немагнитной плазмы (unmagnetized plasma). Затем физики численно решили полученные дифференциальные уравнения с помощью схемы «чехарда» (leapfrog). В результате ученые увидели, как температурная анизотропия и протонов, и электронов постепенно уменьшается.

Интересно, что при аналогичном моделировании с меньшей частотой столкновений выравнивание температур не происходило.
Ученые отмечают, что их анализ все еще не закрывает проблему температурной анизотропии солнечного ветра, хотя и показывает, что лежащие в его основе предположения верны. В самом деле, помимо столкновений и нестабильностей необходимо учесть вращение магнитного поля и более аккуратно описать зависимость плотности заряженных частиц от радиального расстояния. Тем не менее, авторы считают, что они движутся в правильном направлении.

Солнечный ветер играет важную роль в жизни планет Солнечной системы. Например, в ноябре 2015 года ученые из NASA с помощью зонда MAVEN обнаружили, что солнечный ветер постепенно размывает атмосферу Марса. В октябре 2017 данные того же зонда показали, что под влиянием солнечного ветра остатки магнитного поля Марса сформировали необычный магнитный хвост. А в апреле 2019 астрономы из США, Великобритании и Японии выяснили, что высокоэнергетические частицы солнечного ветра проникают глубоко в атмосферу Юпитера и разогревают планету.

Дмитрий Трунин