Ученые подтвердили местонахождение магнитного динамо Солнца на глубине 200 тысяч километров

Мощное магнитное динамо Солнца, которое управляет активностью солнечных пятен и способствует возникновению мощных вспышек и выбросов корональной массы, как подтверждено, находится на глубине 124 000 миль (200 000 километров) под видимой поверхностью Солнца — что эквивалентно 16 ширинам Земли. Магнитное динамо Земли расположено во внешнем ядре нашей планеты, где конвекция расплавленного железа генерирует электрические токи.

Ядро Солнца — это ядерная топка, где атомы расщепляются, а его внутренние две трети составляют зону лучистого переноса гамма-фотонов, поэтому солнечное магнитное поле не может генерироваться там. Вместо этого вся конвекция происходит во внешней трети Солнца, в так называемой конвективной зоне. Некоторые ученые задавались вопросом, находится ли магнитное динамо Солнца в узком приповерхностном слое или, возможно, простирается по всей конвективной зоне. Однако наиболее популярной гипотезой было то, что магнитное динамо генерируется на границе между нижней частью конвективной зоны и внутренней лучистой зоной.

Эту границу называют тахоклином. Изучая на протяжении примерно 30 лет колебания, отражающиеся от видимой поверхности Солнца (фотосферы) и его глубоких недр, Кришненду Мандал и Александр Косовичев из Технологического института Нью-Джерси нашли прямые доказательства того, что динамо генерируется именно там. «Годами мы подозревали, что тахоклин важен для солнечного динамо, но теперь у нас есть четкие наблюдательные доказательства», — заявил Мандал. «До сих пор мы просто не имели достаточно информации из недр звезды, чтобы с уверенностью определить, где именно организуются интенсивные магнитные поля Солнца».

Мандал и Косовичев использовали данные, собранные прибором Michelson Doppler Imager на совместном проекте NASA и ESA — обсерватории SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), запущенной в 1995 году, а также данные наземной сети Global Oscillation Network Group (GONG) Национальной солнечной обсерватории, состоящей из шести телескопов по всему миру, которая начала работу в том же году. SOHO и GONG продолжают функционировать до сих пор, измеряя изменяющуюся картину колебаний, проходящих через фотосферу, каждые 45–60 секунд. Эти колебания зависят от структуры недр Солнца, которая определяется потоками плазмы внутри конвективного слоя. Температура и движение этих вращающихся потоков плазмы влияют на период и амплитуду колебаний по мере их прохождения через эти потоки перед выходом на фотосферу.

Мандал и Косовичев обнаружили, что эти вращающиеся пояса плазмы внутри Солнца образуют бабочкообразную структуру, которая соответствует изменению расположения солнечных пятен в течение 11-летнего цикла магнитной активности Солнца. Солнечные пятна — это более холодные участки на Солнце, создаваемые магнитными петлями, выходящими на поверхность через фотосферу. Таким образом, они являются отпечатком магнитного поля Солнца. «Теперь, имея данные почти трех 11-летних солнечных циклов, мы наконец-то видим четкие закономерности, которые открывают нам окно в недра звезды», — пояснил Мандал.

Измерения показывают, что эта бабочкообразная структура зарождается в тахоклине, на глубине 200 000 километров под солнечными пятнами на фотосфере. В тахоклине вращение плазмы отличается от вращения вышележащего конвективного слоя: здесь наблюдаются более интенсивные сдвиговые движения, которые генерируют электрические токи, создающие магнитное поле. «Вращающиеся пояса, возникающие из-за изменений магнитной структуры вблизи тахоклина Солнца, могут достигать поверхности в течение нескольких лет, — рассказал Мандал. — Отслеживание этих внутренних изменений дает нам четкую картину того, как разворачивается солнечный цикл».

Более глубокое понимание того, как генерируется магнитное поле Солнца и как оно проявляется на поверхности в активных областях, порождающих пятна, вспышки и, в конечном итоге, выбросы корональной массы, может помочь в улучшении прогнозов опасной космической погоды. Выбросы с Солнца посылают облака заряженных частиц в сторону Земли, которые могут нарушать работу спутников, систем связи и электросетей, а также создавать угрозу для космонавтов. «Хотя наши выводы пока не позволяют точно прогнозировать будущие солнечные циклы, они подчеркивают важность включения тахоклина в модели прогнозирования космической погоды, — отметил Мандал. — Многие современные симуляции учитывают процессы только в приповерхностных слоях, но наши результаты показывают, что необходимо учитывать всю конвективную зону, и особенно тахоклин».

Открытие имеет значение не только для прогнозирования космической погоды, но и для понимания природы звездного магнетизма в целом. Поскольку Солнце — единственная звезда, которую мы можем наблюдать вблизи и с высокой детализацией, оно служит своеобразным эталоном для изучения других звезд. Подтверждение того, что генерация магнитного поля происходит именно на границе лучистой и конвективной зон, позволяет астрофизикам уточнить модели эволюции звезд разного типа. Для звезд, у которых отсутствует четкая граница между этими зонами (например, полностью конвективных красных карликов), механизмы генерации магнитного поля могут принципиально отличаться, что влияет на их активность и, как следствие, на потенциальную обитаемость окружающих их экзопланет. В перспективе полученные данные помогут создать более точные модели, способные предсказывать не только силу очередного 11-летнего цикла, но и наступление аномально сильных событий, подобных «Событию Кэррингтона» 1859 года, которое, случись оно сегодня, могло бы нанести колоссальный ущерб современной технологической инфраструктуре Земли. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной 12 января в журнале Scientific Reports.