Взрыв на Солнце: ученые открыли секреты солнечных вспышек

Гигантская солнечная вспышка на нашей звезде была вызвана лавиной меньших магнитных нарушений, давая нам наиболее четкое представление о том, как энергия Солнца выпускается в виде потока высокоэнергетического ультрафиолетового света и рентгеновских лучей. Это открытие было сделано европейским космическим агентством (ESA) в рамках миссии "Солнечный орбитер", который наблюдает за Солнцем с расстояния ближе, чем любой другой космический аппарат.

Некоторые солнечные вспышки могут привести к выбросам корональной массы (CME) - огромным облакам плазмы, вырывающимся из короны Солнца и в глубокий космос. Если их траектория от Солнца пересекается с местоположением Земли, они могут вызвать геомагнитные бури, которые могут повредить спутники и энергосистемы, нарушая связь, и поражать нас цветными авроральными огнями.

Чем больше мы узнаем о том, как солнечные вспышки запускаются, тем лучше мы сможем предсказать, когда вредная вспышка и CME вот-вот произойдет. Новые наблюдения "Солнечного орбитера" являются важным шагом на пути к тому, чтобы мы могли это сделать.

"Это один из самых интересных результатов миссии 'Солнечный орбитер' на данный момент", - сказал Миho Джанвье, который является со-руководителем проекта ESA по миссии "Солнечный орбитер". "Наблюдения 'Солнечного орбитера' раскрывают центральный двигатель вспышки и подчеркивают решающую роль механизма лавиноподобного магнитного энерговыделения, действующего в этом процессе".

30 сентября 2024 года "Солнечный орбитер" приблизился к Солнцу на расстояние 43,3 миллиона километров и стал свидетелем вспышки средней силы. Благодаря четырем инструментам "Солнечного орбитера", работающим в унисон для наблюдения за вспышкой, ученые впервые увидели, как меньшие магнитные нестабильности могут нарастать в большую вспышку, как лавина на заснеженной горе, возникающая из относительно небольшого нарушения.

"Мы были очень удачливы, что стали свидетелями предшествующих событий этой большой вспышки в такой прекрасной детализации", - сказал Прадип Читта, руководитель исследования из Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка в Германии. "Мы действительно были в нужном месте в нужное время, чтобы увидеть тонкие детали этой вспышки".

Солнечные вспышки являются результатом магнитной реконнекции. Это происходит, когда магнитные линии на Солнце, наполненные высокоэнергетической плазмой, становятся натянутыми и лопаются, выпуская огромное количество энергии, прежде чем линии снова соединятся. Однако точные причины солнечных вспышек были секретными. Это один мощный взрыв или накопление меньших событий реконнекции? Для вспышки 30 сентября "Солнечный орбитер" нашел ответ.

Начиная с своего экстремального ультрафиолетового изображателя (EUI), "Солнечный орбитер" стал свидетелем генерации вспышки в течение 40 минут. EUI обнаружил изменения в магнитной среде короны Солнца, локализованные возле точки взрыва вспышки, захватывая детали размером всего несколько сотен километров на временных масштабах менее двух секунд, что является временем, покрытым в каждом кадре изображения.

Космический аппарат увидел дуговую филамент, состоящую из переплетенных магнитных полей, несущих плазму и соединенную с крестовидным регионом магнитной активности, наполненным большим количеством магнитных линий. Он наблюдал, как регион становился все более нестабильным, линии лопались и снова соединялись, выпуская всплески энергии, которые появлялись как яркие точки света.

Эти всплески были началом лавины. Они запустили цепную реакцию все более мощных событий реконнекции. В один момент дуговая филамент оторвалась от одной из своих точек крепления на Солнце и была выброшена в космос, унесенная яростью солнечного ветра. Каскад меньших событий реконнекции быстро набрал силу, прежде чем закончился средней силой вспышкой.

"Эти минуты до вспышки чрезвычайно важны, и 'Солнечный орбитер' дал нам окно прямо в основание вспышки, где начался процесс лавины", - сказал Читта. "Мы были удивлены тем, как большая вспышка запускается серией меньших событий реконнекции, которые быстро распространяются в пространстве и времени".

Три других инструмента на борту "Солнечного орбитера" - SPICE (Спектральное изображение корональной среды), STIX (Рентгеновский спектрометр/телескоп) и PHI (Поляриметрический и гелиосейсмический изображатель) - также наблюдали вспышку, измеряя события на разных глубинах в атмосфере Солнца, от внешней атмосферы, короны, до видимой поверхности Солнца, называемой фотосферой. Они захватили волны гигантских комков плазмы, которые получили свою энергию от магнитных полей, дождя из короны на фотосферу.

"Мы увидели лентообразные особенности, движущиеся чрезвычайно быстро вниз через атмосферу Солнца, даже до основного эпизода вспышки", - сказал Читта. "Эти потоки дождя комков плазмы являются сигнатурами энерговыделения, которые становятся сильнее и сильнее, когда вспышка прогрессирует. Даже после того, как вспышка спадает, дождь продолжается некоторое время".

После того, как вспышка достигла пика энергии, во время которого уровни рентгеновского излучения резко возросли, и заряженные частицы были ускорены до 40-50% скорости света, крестовидный магнитный регион начал расслабляться. Плазма охладилась, и эмиссия частиц уменьшилась до нормальных уровней. Читта описал, насколько неожиданно было то, что процесс лавины может запустить такие высокоэнергетические частицы.

Модель лавины слабых нарушений, нарастающих в нечто более серьезное, ранее была предложена для объяснения коллективного поведения сотен тысяч вспышек по всему Солнцу, но до сих пор не было ясно, что это может применяться к одной вспышке.

Есть два важных вопроса, которые возникают из этого. Первый: все ли вспышки на Солнце производятся как лавина? "То, что мы наблюдали, бросает вызов существующим теориям выпуска энергии вспышки", - сказал Дэвид Понтин из Университета Ньюкасл, Австралия, который был частью команды, анализирующей данные "Солнечного орбитера".

Дальнейшие наблюдения солнечных вспышек будут необходимы, чтобы пролить свет на это.

Второй: наше Солнце не является единственной звездой, которая имеет вспышки. Они взрываются со всех звезд, и некоторые звездные тела, такие как красные карлики, имеют гораздо более мощные и частые вспышки, чем Солнце.

"Интересная перспектива заключается в том, происходит ли этот механизм во всех вспышках и на других вспыхивающих звездах", - сказал Джанвье.

Результаты наблюдений "Солнечного орбитера" за вспышкой 30 сентября 2024 года были опубликованы 21 января в журнале Astronomy & Astrophysics.