Теплые коронарные петли могут служить ключом к объяснению загадочно горячей солнечной атмосферы

Коронарные петли – элегантные и яркие арки, возносящиеся высоко над поверхностью Солнца, возможно, дают ключ к пониманию, почему солнечная корона так горяча. Конечно, на Солнце должно быть горячо, но его атмосфера чересчур горячая. Загадка, почему солнечная корона более горяча, чем фотосфера Солнца, с середины двадцатого столетия заставляла физиков Солнца напряженно трудиться, и в результате с помощью современных обсерваторий и продвинутых теоретических моделей, теперь мы имеем довольно хорошую идею о том, что вызывает этот процесс. Таким образом, проблема решена? Не совсем...

 Корональные петли, наблюдаемые аппаратом NASA «Transition Region And Coronal Explorer» (TRACE).

Итак, почему физики солнца столь заинтересованы солнечной короной?

Измерения частиц короны говорят нам, что атмосфера Солнца фактически более горяча, чем поверхность Солнца. Традиционные взгляды сказали бы, что это неправильно; ведь иначе были бы нарушены все виды физических законов. Воздух вокруг лампочки не более горяч, чем непосредственно колба, высокая температура от объекта уменьшается с расстоянием. Если вы замерзли, вы же не уйдёте от огня, вы наоборот приблизитесь к нему!

Это не только академическое любопытство. Космическая погода рождается в более солнечной короне; понимание механизмов стоящих за её нагреванием имеет всесторонние значения для того, чтобы предсказывать  вспышки на солнце. Рентгеновское и ультрафиолетовое излучение от солнечной короны затрагивают Землю и ее атмосферу. Такое затрагивание может даже заставить спутники сменить орбиту (атмосфера Земли, становясь при контакте более горячей, расширяется и становится и на высоте более плотной). Когда это происходит, спутники выталкиваются на другие орбиты. Точно предсказание этой "космической погоды" дает спутниковым операторам больше времени, чтобы ответить на или предотвратить проблемы, которые потенциально могут вызвать прерывания и отключения электричества.

Итак, проблема нагревания короны - интересная проблема, и солнечные физики идут по следу ответа на вопрос, почему корона настолько горяча. Магнитные петли короны являются центральным подозреваемым в этом явления; они испытывают быстрое нагревание до температуры от десятков тысяч (в хромосфере) до десятков миллионов градусов (в короне) на очень коротком расстоянии. Температурный градиент действует поперек тонкой области перехода, который изменяется по толщине, но не может быть больше нескольких сотен километров.

Эти яркие петли горячей солнечной плазмы можно легко увидеть. Однако сами механизмы, ответственные за нагрев петель, оказывается, трудно обнаружить. Особенно трудно понять динамику "промежуточной температуры" - петли короны с плазмой, нагретой приблизительно до одного миллиона Кельвинов. Мы становимся всё ближе к решению этой загадки, которая поможет космическим погодным предсказаниям, но мы должны ещё понять, почему теория не совпадает с наблюдением.

Некоторое время мнения физиков Солнца разделилось. Плазма петли кроны нагрета неустойчивым магнетизмом по всей длине петли короны? Или они нагреты некоторым другим устойчивым нагреванием происходящим чуть ниже в короне? Или верны оба варианта?

"В последние годы стало ясным, что нагревание короны является динамическим процессом, но несогласованности между наблюдениями и теоретическими моделями были главным источником головной боли. Мы теперь обнаружили два возможных решения этой дилеммы: либо энергия испускается импульсивно с правильным соотношением ускоренных частиц и прямого нагревания, либо энергия испускается постепенно очень близко к солнечной поверхности", – рассказывает Джеймс Климчук, астрофизик из лаборатории физики Солнца в центре космических полетов Годдарда в Гринбелте.

 Кажется, что импульсивные взрывы энергии, названные нановспышками, дают ключ к пониманию этого процесса. Они были предсказаны теорией, для поддержания устойчивой температуры корональной петли - 1 миллион Кельвинов. Мы знаем, значение этой температуры, поскольку петли испускают излучение на экстремальных ультрафиолетовых длинах волн (EUV), и многие обсерватории были построены или запущены в космос с инструментами, чувствительными к этой длине волны. Например, инструмент для регистрации EUV: «Imaging Telescope»  на борту «Solar and Heliospheric Observatory», аппарат Transition Region and Coronal Explorer (TRACE), и новый японский аппарат Ксинод. Большинство крупных открытий в области коронарной петли произошли после запуска TRACE в 1998 году. Нановспышки очень трудно наблюдать непосредственно, поскольку они происходят в масштабах, столь маленьких, что они не могут быть обнаружены современным инструментарием. Однако, мы близки, и существуют свидетельства, указывающие на эти энергичные события.

 "Нановспышка может выпустить свою энергию по-разному, включая ускорение частиц, и как мы теперь понимаем, правильное соединение ускорения частиц с прямым нагревов является одним из путей объяснения наблюдений", – рассказывает Климчук. Другая возможность состоит в том, что испускание энергии происходит постепенно, но очень близко к поверхности солнца. В этом случае, феномен под названием «теплового неравновесия» заставляет петли проходить периодические припадки динамического поведения. Последние компьютерные моделирования предлагают, что эти солнечные истерики могут также объяснить наблюдаемые странности.

Медленно, но верно, теоретические модели и наблюдения объединяются, и кажется что, наконец, после 60 лет попыток, физики Солнца близки к пониманию нагревающихся механизмов короны. Однако существует вероятность, что в процессе нагревания участвуют и другие механизмы…

Немного цифр:

Нановспышки происходят на любой высоте корональных петлях. Хотя их можно назвать нано, по Земным стандартам, это огромные взрывы. Нановспышки испускают энергию 1024-1026 эргов (1017-1019 джоуля). Это - эквивалент приблизительно 1 600 - 160 000 атомных бомб сброшенных на Хиросиму (15 килотонн), таким образом, нет ничего нано в этих взрывах короны! Но по сравнению со стандартными рентгеновскими вспышками Солнца (6×1025 джоулей) (более чем 100 миллиардов атомных бомб), это действительно нано.