Солнечная вспышка ускорила почти все электроны в объеме высвобождения магнитной энергии

Физики проанализировали наблюдения солнечной вспышки, которая произошла в сентябре 2017 года, и проследили за тем, как ускоряются электроны в плазме. Оказалось, что вблизи области наиболее интенсивного высвобождения магнитной энергии сформировался регион с резкими границами, в котором практически все электроны ускорились до сверхтепловых энергий. Как отмечается в работе, опубликованной в Nature, наблюдения хорошо согласуются с идеей о том, что частицы ускоряются и одновременно запираются в рамках выделенной области за счет турбулентностей магнитного поля.

Считается, что причина солнечных вспышек — магнитные процессы в поверхностных слоях звезды. При сближении регионов поверхности с противонаправленными магнитными полями силовые линии поля самопроизвольно пересоединяются в новые конфигурации. В результате такого пересоединения высвобождается часть магнитной энергии, которая тратится в том числе на ускорение находящихся в области пересоединения заряженных частиц.

Хотя общее теоретическое описание того, как рождаются вспышки, уже имеется, окончательного понимания всех деталей и особенностей таких процессов пока нет. Вместе с тем изучать природу вспышек важно даже с чисто практической точки зрения — некоторые из них могут вызывать сильные геомагнитные бури, нарушать работу спутников и другой аппаратуры и даже производить на нашей планете лишние радиоактивные ядра (о том, могут ли вспышки влиять на человеческий организм, можно узнать в нашем материале «Буря в голове»).

Ученые из Технологического института Нью-Джерси при участии Грегори Флейшмана (Gregory Fleishman) проанализировали наблюдения одной из солнечных вспышек и проследили за поведением магнитного поля и электронной плазмы вблизи области высвобождения энергии.

Авторы использовали данные, которые собирал солнечный телескоп EOVSA (Expanded Owens Valley Solar Array) в Калифорнии 10 сентября 2017 года в течение четырех минут (15:57–16:01 по Всемирному времени) в микроволновом диапазоне.

Пользуясь этими наблюдениями и численными симуляциями, исследователи проследили за двумя компонентами электронной плазмы в области вспышки: тепловыми электронами — то есть такими, которые сохранили типичное для хаотического теплового движения распределение по энергиям (приблизительно до одного килоэлектронвольта на частицу), и сверхтепловыми — такими, которые значительно ускорились за счет высвободившейся энергии (свыше 20 килоэлектронвольт на частицу).

В результате анализа физики обнаружили в области вспышки объем величиной около 1,7×10²⁷ кубических сантиметров (примерно в тысячу раз больше объема Мирового океана), в котором практически отсутствовала тепловая компонента электронной плазмы по сравнению со сверхтепловой компонентой (концентрация последней достигала 10¹⁰ электронов в кубическом сантиметре). При этом найденный регион имел четко выраженные границы с окружающей его более типичной плазмой — с доминированием тепловой компоненты.

Привлекая сопутствующие измерения величины магнитного поля, ученые установили, что наблюдения хорошо согласуются с предположением о том, что электроны ускоряются до сверхтепловых энергий за счет сильного электрического поля (около 20 Вольт на сантиметр), которое возникает при турбулентном пересоединении магнитных линий и высвобождении энергии магнитного поля. Последнее было наиболее интенсивно приблизительно в том же регионе, в котором наблюдался всплеск концентрации сверхтепловых электронов (скорость изменения магнитной индукции порядка 5 Гауссов в секунду).

Авторы отмечают, что наблюдаемые резкие границы объема, в котором почти не оказалось тепловых электронов, не могут быть случайными — в отсутствие физического механизма, который бы ограждал эту область от соседних, сверхтепловые электроны быстро смешались бы с тепловыми, что на деле не наблюдается.

Гипотетически причиной, которая удерживает сверхтепловые электроны от перемешивания, может быть та же самая магнитная турбулентность, что ускоряет частицы — интенсивное рассеяние частиц в таком поле сокращает их длину свободного пробега, что должно препятствовать расползанию региона с быстрыми частицами в пространстве. Физики подчеркивают, что для убедительного обоснования таких рассуждений недостаточно и требуются детальные симуляции.

В январе мы писали о том, как астрономы зарегистрировали очень долгую солнечную вспышку средней мощности, а в материале «Как устроены пятна на Солнце» — разбирались в устройстве центров активности на поверхности звезды.

Николай Мартыненко