Как формируется солнечный переключатель. Авторы и права: ESA и NASA/Solar Orbiter/EUI & Metis Teams и Д. Теллони и др. (2022 г.); Занк и др. (2020)

Обладая данными о ближайшем прохождении Солнца, космический аппарат ESA/NASA Solar Orbiter нашел убедительные подсказки относительно происхождения магнитных переключений и указывает на то, как их физический механизм формирования может способствовать ускорению солнечного ветра.

Solar Orbiter провел первое в истории наблюдение дистанционного зондирования, согласующееся с магнитным явлением, называемым солнечным переключением, — внезапными и большими отклонениями магнитного поля солнечного ветра. Новое наблюдение дает полное представление о структуре, в данном случае подтверждая, что она имеет S-образный характер, как и предсказывалось. Кроме того, глобальная перспектива, обеспечиваемая данными Solar Orbiter, указывает на то, что эти быстро меняющиеся магнитные поля могут возникать вблизи поверхности Солнца.

Хотя несколько космических аппаратов пролетали через эти загадочные регионы раньше, данные на месте позволяют проводить измерения только в одной точке и в одно время. Следовательно, структура и форма обратного переключения должны быть выведены из свойств плазмы и магнитного поля, измеренных в одной точке.

Когда немецко-американские космические аппараты Helios 1 и 2 пролетели близко к Солнцу в середине 1970-х годов, оба зонда зафиксировали внезапные инверсии магнитного поля Солнца. Эти загадочные перевороты всегда были внезапными и всегда временными, продолжались от нескольких секунд до нескольких часов, прежде чем магнитное поле вернулось к своему первоначальному направлению.

Эти магнитные структуры также были исследованы на гораздо больших расстояниях от Солнца космическим кораблем «Улисс» в конце 1990-х годов. Вместо трети орбитального радиуса Земли от Солнца, где миссии Helios совершали свой ближайший проход, Ulysses действовал в основном за пределами земной орбиты.

Их число резко возросло с прибытием солнечного зонда НАСА «Паркер» в 2018 году. Это ясно указывало на то, что внезапные инверсии магнитного поля более многочисленны вблизи Солнца, и привело к предположению, что они были вызваны S-образными перегибами в магнитном поле. . Это загадочное поведение принесло феномену название обратного переключения. Было предложено несколько идей относительно того, как они могут образоваться.

25 марта 2022 года Solar Orbiter находился всего в дне пути от близкого прохода Солнца, выводя его на орбиту планеты Меркурий, и его прибор Metis собирал данные. Метис блокирует яркие блики света с поверхности Солнца и делает снимки внешней атмосферы Солнца, известной как корона. Частицы в короне электрически заряжены и следуют линиям магнитного поля Солнца в космос. Сами электрически заряженные частицы называются плазмой.

Примерно в 20:39 по всемирному времени Метис зафиксировал изображение солнечной короны, на котором был виден искаженный S-образный излом в корональной плазме. Для Даниэле Теллони из Национального института астрофизики – астрофизической обсерватории Турина, Италия, это было подозрительно похоже на обратное движение Солнца.

Солнце, увиденное космическим кораблем ESA/NASA Solar Orbiter 25 марта 2022 года, за день до его ближайшего сближения примерно на 0,32 а.е., в результате которого оно оказалось на орбите планеты Меркурий. Центральное изображение было получено прибором Extreme Ultraviolet Imager (EUI). Внешнее изображение было получено коронографом Метис, инструментом, который блокирует яркий свет поверхности Солнца, чтобы увидеть слабую внешнюю атмосферу Солнца, известную как корона. Изображение Metis было обработано, чтобы выделить структуры в короне. Это выявило обратное переключение (заметная бело-голубая черта примерно в положении «8 часов» в левом нижнем углу). Кажется, что он восходит к активной области на поверхности Солнца, где петли магнетизма прорвались через поверхность Солнца. Авторы и права: ESA и NASA/Solar Orbiter/EUI & Metis Teams и Д. Теллони и др. (2022)

Сравнив изображение Metis, полученное в видимом свете, с одновременным изображением, полученным прибором Extreme Ultraviolet Imager (EUI) Solar Orbiter, он увидел, что возможное обратное переключение происходит над активной областью, занесенной в каталог как AR 12972. Активные области связаны с солнечными пятнами и магнитной активностью. Дальнейший анализ данных Метиса показал, что скорость плазмы над этой областью была очень низкой, чего и следовало ожидать от активной области, которая еще не высвободила накопленную энергию.

Даниэле тут же подумал, что это похоже на генерирующий механизм обратного переключения, предложенный профессором Гэри Занк из Алабамского университета в Хантсвилле, США. Теория рассматривала то, как различные магнитные области у поверхности Солнца взаимодействуют друг с другом.

Вблизи Солнца и особенно над активными областями существуют открытые и замкнутые силовые линии магнитного поля. Замкнутые линии — это петли магнетизма, которые выгибаются в солнечную атмосферу, прежде чем изгибаться и исчезать обратно на солнце. Очень мало плазмы может уйти в космос выше этих силовых линий, и поэтому скорость солнечного ветра здесь имеет тенденцию быть низкой. Открытые силовые линии обратны, они исходят от Солнца и соединяются с межпланетным магнитным полем Солнечной системы. Это магнитные магистрали, по которым может свободно течь плазма и порождать быстрый солнечный ветер.

Даниэль и Гэри доказали, что переключения происходят, когда есть взаимодействие между областью открытых силовых линий и областью замкнутых силовых линий. По мере того как силовые линии собираются вместе, они могут снова соединяться в более стабильные конфигурации. Подобно взмаху хлыста, это высвобождает энергию и создает S-образное возмущение, уходящее в космос, которое проходящий мимо космический корабль зафиксировал бы как обратное движение.

Наблюдение Metis за обратным переключением согласуется с надежным теоретическим механизмом образования солнечных магнитных переключений, предложенным в 2020 году профессором Гэри Занк. Ключевым наблюдением было то, что переключение можно было увидеть, исходящее из активной области Солнца. Эта последовательность показывает цепочку событий, которые, по мнению исследователей, происходят.
(а) Активные области на Солнце могут иметь открытые и замкнутые силовые линии магнитного поля. Замкнутые линии выгибаются в солнечную атмосферу, а затем изгибаются обратно к солнцу. Линии открытого поля соединяются с межпланетным магнитным полем Солнечной системы.
(b) Когда открытая магнитная область взаимодействует с закрытой областью, силовые линии магнитного поля могут снова соединиться, создавая силовую линию примерно S-образной формы и вызывая всплеск энергии.
(c) Поскольку силовая линия реагирует на повторное соединение и высвобождение энергии, возникает перегиб, распространяющийся наружу. Это обратный переход. Аналогичное переключение также отправляется в противоположном направлении, вниз по линии поля и к солнцу.
Кредит: Занк и др. (2020)

По словам Гэри Занка, выдвинувшего одну из теорий происхождения обратного хода: «Первое изображение с Метиды, которое показал Даниэле, почти сразу же напомнило мне карикатуры, которые мы нарисовали при разработке математической модели обратного хода. первое изображение было просто снимком, и нам пришлось умерить свой энтузиазм, пока мы не использовали превосходное покрытие Metis для извлечения временной информации и проведения более подробного спектрального анализа самих изображений. Результаты оказались абсолютно впечатляющими».

Вместе с группой других исследователей они построили компьютерную модель поведения и обнаружили, что их результаты имеют поразительное сходство с изображением Метиды, особенно после того, как они включили расчеты того, как структура будет удлиняться во время своего распространения наружу через солнечную корону.

«Я бы сказал, что это первое изображение магнитного переключения в солнечной короне раскрыло тайну их происхождения», — говорит Даниэле, чьи результаты опубликованы в статье в The Astrophysical Journal Letters.

Понимая обратное движение, физики-солнечники могут также сделать шаг к пониманию деталей того, как солнечный ветер ускоряется и нагревается вдали от Солнца. Это связано с тем, что когда космические корабли пролетают через переключатели, они часто регистрируют локализованное ускорение солнечного ветра.

«Следующий шаг — попытаться статистически связать обратные переключения, наблюдаемые на месте, с их исходными областями на Солнце», — говорит Даниэле. Другими словами, чтобы космический корабль пролетал через переполюсовку магнитного поля и мог видеть, что происходит на поверхности Солнца. Это именно та наука о связях, для которой был разработан Solar Orbiter, но это не обязательно означает, что Solar Orbiter должен пролететь через обратное переключение. Это может быть другой космический корабль, такой как Parker Solar Probe. Пока данные на месте и данные дистанционного зондирования совпадают, Даниэле может выполнить корреляцию.

«Это именно тот результат, на который мы надеялись с Solar Orbiter», — говорит Даниэль Мюллер, научный сотрудник проекта Solar Orbiter ЕКА. «С каждой орбитой мы получаем больше данных от нашего набора из десяти инструментов. На основе результатов, подобных этому, мы точно настроим наблюдения, запланированные для следующего сближения Солнечного орбитального аппарата с Солнцем, чтобы понять, как Солнце соединяется с более широким магнитным полем. среды Солнечной системы. Это был самый первый близкий проход Solar Orbiter к Солнцу, поэтому мы ожидаем еще много захватывающих результатов».

Следующий близкий проход Solar Orbiter к Солнцу — снова в пределах орбиты Меркурия на расстоянии, в 0,29 раза превышающем расстояние от Земли до Солнца, — состоится 13 октября. Ранее в этом месяце, 4 сентября, Solar Orbiter совершил гравитационный облет Венеры, чтобы скорректировать свою орбиту вокруг Солнца; последующие облеты Венеры начнут увеличивать наклон орбиты космического корабля для доступа к более высоким широтам — более полярным — областям Солнца.

Крупный план данных Solar Orbiter Metis, превращенных в фильм, показывает эволюцию обратного переключения. Последовательность представляет собой около 33 минут данных, снятых 25 марта 2022 года. Яркая структура формируется при распространении от Солнца. Когда он достигает своего полного развития, он изгибается сам по себе и приобретает искаженную S-образную форму, характерную для магнитного переключателя. Структура расширяется со скоростью 80 км/с, но вся конструкция не движется с этой скоростью. Вместо этого он растягивается и искажается. Это первый случай удаленного наблюдения магнитного переключения. Все другие обнаружения имели место, когда космический корабль пролетал через эти возмущенные магнитные области.