Модели раскрывают тайну структуры, управляющей магнитными свойствами Солнца

В конце 1980-х годов учёные поняли, что внутренние свойства Солнца можно изучать с помощью анализа звуковых волн, резонирующих в его недрах. Этот метод, названный гелиосейсмологией, выявил загадочный тонкий динамический слой внутри Солнца — тахоклин.

Тахоклин имеет крайне малую толщину, но, как считается, играет ключевую роль в формировании магнитных свойств звезды. Десятилетия теорий, расчётов и моделей не смогли полностью раскрыть динамику, объясняющую его существование, оставляя эту задачу одной из сложнейших в математической физике.

Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Круз представили первые самосогласованные модели солнечных недр, которые учитывают динамику процессов и спонтанно формируют тахоклин. Этот прорыв стал возможным благодаря использованию самого мощного суперкомпьютера NASA. Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Почему тахоклин важен?

Для Земли тахоклин критичен из-за его влияния на солнечные магнитные поля, которые вызывают вспышки и корональные выбросы массы. Эти явления способны нарушить работу спутников и энергосистем. Точное моделирование тахоклина необходимо для прогнозирования подобных событий.

Кроме того, понимание природы тахоклина может пролить свет на магнитную активность других звёзд, что важно для поиска планет с условиями, пригодными для жизни. «Мы изучаем динамику Солнца, но это лишь одна звезда. Полученные знания помогут понять процессы в других системах», — говорит Лорен Матилски, ведущий автор исследования.

Синергия магнитных полей и турбулентности

Тахоклин разделяет два слоя Солнца: радиационную зону (внутренние 70% радиуса), вращающуюся как твёрдое тело, и конвективную зону (внешние 30%), где движение плазмы напоминает газ. Тонкий переход между ними десятилетия оставался загадкой. «Почему этот слой такой узкий, если физические процессы должны его расширять?» — задаётся вопросом профессор Николас Бруммелл.

Ответ нашёлся в «героических расчётах» — масштабных симуляциях, выполненных на суперкомпьютере Pleiades. Они показали, что магнитное поле, генерируемое динамо-процессом в конвективной зоне, удерживает тахоклин от расширения. Это подтвердило гипотезу о взаимном влиянии: тахоклин формирует динамо, а динамо, в свою очередь, поддерживает структуру тахоклина.

Учёные планируют усовершенствовать модели, добавив трёхмерные эффекты и влияние солнечных пятен. Это поможет точнее предсказывать космическую погоду и понять, как магнитные поля звёзд влияют на обитаемость их планет. «Мы только начинаем разгадывать сложные взаимодействия внутри звезд», — резюмирует Матилски.