Астрономы решили парадокс солнечного натрия

Астрономы смогли разрешить парадокс солнечного натрия, который существовал более 20 лет. Им удалось теоретически доказать, что линейная поляризация излучения на длине волны линии поглощения D₁ натрия в атмосфере Солнца возникает и при наличии магнитных полей с напряженностью в несколько гауссов, при этом расчеты согласуются с данными наблюдений за Солнцем. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Большая часть излучения Солнца, которая доходит до нас из его спокойных в плане активности областей (за пределами солнечных пятен), имеет линейную поляризацию, особенно близко к краю диска звезды. Объясняется это рассеянием анизотропного излучения (интенсивность которого зависит от направления) Солнца в его атмосфере. Если говорить про спектральные линии, то поляризация излучения возникает, когда создается дисбаланс населенности энергетических уровней и квантовой интерференции между магнитными подуровнями атомов солнечной атмосферы, поглощающих падающее на них излучение (анизотропная оптическая накачка). 

В 1998 году было обнаружено, что существует поляризация излучения на длине волны линии поглощения натрия D₁ (она входит в широко известный «натриевый дублет» в спектре поглощения Солнца), которую можно объяснить только учитывая сверхтонкую структуру атома натрия и предположив, что более низкий энергетический уровень, соответствующий основному состоянию натрия, обладает значительной поляризацией. Однако в этом случае нижняя хромосфера нашей звезды должна быть практически не намагниченной (магнитные поля на уровне несколько миллигауссов), что противоречит результатам наблюдений, а также теоретическим соображениям в области физики плазмы, требующих наличия полей гауссового масштаба, из-за чего возник парадокс. 

Решение парадокса солнечного натрия необходимо для понимания физических процессов в солнечной хромосфере, которые будут моделироваться на основе будущих детальных спектрополяриметрических наблюдений при помощи телескопов нового поколения, таких как DKIST.

Группа астрономов во главе с Эрнестом Альсином Баллестером (Ernest Alsina Ballester) из исследовательского института IRSOL в Швейцарии опубликовала работу, в которой попыталась разрешить парадокс солнечного натрия, промоделировав поляризацию солнечного излучения в линиях дублета натрия. Ученые использовали недавно разработанную теорию атомно-фотонных взаимодействий, что позволило учитывать корреляции между состоянием фотонов до и после рассеяния (явление частичного перераспределения частот) при наличии столкновений атомов и магнитных полей. Таким образом, модель впервые учитывала детали спектральной структуры излучения вместе с влиянием магнитных полей произвольной силы и упругих столкновений в реалистичной атомной модели, включающей сверхтонкую структуру. 

Результаты моделирования и расчеты, которые сравнивались с данными наблюдений при помощи поляриметра ZIMPOL-3 за спокойной областью, близкой к краю диска Солнца, показали, что линейная поляризация излучения на длине волны линии D1 способна возникать в отсутствие какой-либо поляризации основного состояния натрия, даже при наличии магнитных полей с напряженностью 15 гауссов, что и требуют текущие модели солнечной атмосферы.

Исследователи отмечают, что моделирование проводилось для несколько идеализированной одномерной статической модели солнечной атмосферы — в реальности будет заметно влияние неоднородности параметров плазмы. Тем не менее, работа все равно позволяет решить парадокс солнечного натрия и, по мнению ученых, поможет при исследовании магнитных полей солнечной хромосферы в текущую эру солнечных телескопов с большой апертурой.

Ранее мы рассказывали о том, как астрономы нашли долгопериодические тороидальные колебания Солнца и зарегистрировали гидродинамические гравитационные волны, распространяющиеся внутри Солнца — их искали более 40 лет.

Александр Войтюк