Солнечные пятна усилили плазменные волны

Астрономы доказали, что волны в плазме хромосферы Солнца усиливаются при движении от поверхности звезды благодаря формированию акустических резонаторов над пятнами. Подходящие условия для возникновения резонанса образуются из-за высоких градиентов температуры на краях хромосферы. Результаты могут помочь разобраться с главной загадкой физики Солнца — механизмом разогрева короны, пишут авторы в журнале Nature Astronomy.

Атмосфера Солнца состоит из трех основных частей. Ниже всего расположена фотосфера — область формирования видимого излучения, которая воспринимается глазом как размер светила. Над ней расположена хромосфера, в которой возникает большинство активных процессов, таких как спикулы и протуберанцы. Выше всего расположена корона — самая разреженная, но при этом самая горячая внешняя оболочка Солнца.

Важнейшая загадка физики Солнца, на которую ученые не могут найти ответ уже больше полувека, заключается в высокой температуре короны. На данный момент для объяснения этого феномена предложено две основные конкурирующие гипотезы: большое количество небольших вспышек и магнитогидродинамические волны в плазме. Для подтверждения первой идеи необходима экспериментальная регистрация, которая возможна только с помощью наблюдений с высоким временным и пространственным разрешением, а для второй требуется выяснить механизм подходящего усиления волн.

Один из предложенных способов усиления связан с солнечными пятнами, возникающими в фотосфере относительно темными областями. Из теории следует, что над ними могут образовываться акустические резонаторы. Известно, что в самих пятнах температура вещества ниже окружающей, что объясняется мощным магнитным полем, подавляющим конвекцию, которая позволяет более горячей плазме подниматься из недр звезды. Эти поля сказываются на плазме высоко над пятнами, вплоть до самых окраин короны.

Коллектив астрономов под руководством Дэвида Джесса (David Jess) из британского Университета Квинс в Белфасте подтвердил формирование над солнечными пятнами подходящих для возникновения резонансов условий. Наблюдения и численные моделирования показали, что резкие градиенты температуры на краях хромосферы создают частично прозрачные для волн поверхности. В результате колебания могут многократно отражаться от них, усиливаясь в процессе.

Ученые использовали вариации яркостей линий излучения отдельных элементов для определения скоростей и частот волн. В фотосфере для этого наблюдалось излучение кремния, а в верхней части хромосферы — гелия. Оказалось, что над тенью пятен (самыми темными центральными областями) наблюдаются устойчивые колебания интенсивностей линий.

Фурье-спектр линий гелия позволил выделить три частотные области с различными свойствами, причем между второй и третьей наблюдался скачок спектральной плотности энергии, а наклон спектра в третьей менялся. Существование и параметры третьей области совпадают с теоретическими предсказаниями для наличия акустических резонансов.

Моделирование успешно воспроизвело указанные особенности, но только в случае наличия резкого градиента температуры в переходном слое между хромосферой и короной, что подтверждает наличие резонатора. Анализ показал, что наклон спектра зависит от положения относительно центра пятна: ближе к нему наклон менее резкий и становится круче к границе тени и полутени пятна. Численные симуляции также позволили определить размер резонансных полостей — около 2300 километров в центре тени пятна и примерно 1300 километров у его границы.

Авторы отмечают, что доказательство существования резонаторов в атмосфере Солнца важно сразу по нескольким причинам. Во-первых, параметры вещества над пятнами оказались неоднородными, что необходимо включить в модели Солнечной активности. Во-вторых, это приближает нас к пониманию истинной причины разогрева короны. В-третьих, подобные плазменные резонансные полости могут существовать не только на Солнце, а также в магнитосфере Земли и других астрофизических условиях.

Ранее ученые использовали нейросеть для определения магнитного поля на дальней стороне Солнца. Могут ли геомагнитные возмущения влиять на состояние человека мы подробно разбирались в материале «Буря в голове». О структуре солнечных пятен и потенциальной угрозе со стороны Солнца нам рассказывал физик Сергей Богачев.

Тимур Кешелава