Атмосфера Солнца называется короной. Она состоит из электрически заряженного газа, плазмы, температура которой составляет около миллиона градусов Цельсия.
Ее температура является непреходящей загадкой, поскольку температура поверхности Солнца составляет всего около 6000 градусов. Корона должна быть холоднее, чем поверхность, потому что энергия Солнца исходит из ядерной печи в его ядре, и чем дальше от источника тепла, тем холоднее становится естественным образом. Однако корона более чем в 150 раз горячее поверхности. Должен действовать другой метод передачи энергии в плазму, но какой?
Давно подозревалось, что турбулентность в солнечной атмосфере может привести к значительному нагреву плазмы в короне. Но когда дело доходит до исследования этого явления, физики Солнца сталкиваются с практической проблемой: невозможно собрать все необходимые данные с помощью всего лишь одного космического корабля.
Есть два способа исследования Солнца: дистанционное зондирование и измерения на месте. При дистанционном зондировании космический корабль располагается на определенном расстоянии и использует камеры для наблюдения за Солнцем и его атмосферой в различных длинах волн. Для измерений на месте космический корабль пролетает через область, которую он хочет исследовать, и проводит измерения частиц и магнитных полей в этой части космоса.
Оба подхода имеют свои преимущества. Дистанционное зондирование показывает масштабные результаты, но не детали процессов, происходящих в плазме. Между тем, натурные измерения дают весьма конкретную информацию о мелкомасштабных процессах в плазме, но не показывают, как это влияет на крупномасштабные.
Чтобы получить полную картину, необходимы два космических корабля. Это именно то, что в настоящее время есть у физиков Солнца в виде космического корабля Solar Orbiter под руководством ЕКА и солнечного зонда NASA Parker. Solar Orbiter спроектирован так, чтобы приближаться к Солнцу как можно ближе и при этом выполнять операции дистанционного зондирования, а также измерения на месте. Parker Solar Probe в значительной степени предназначен не так для дистанционного зондирования самого Солнца, как для более близких измерений на месте.
Но чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами их взаимодополняющих подходов, Parker Solar Probe должен находиться в поле зрения одного из инструментов Solar Orbiter. Таким образом, Solar Orbiter сможет зафиксировать масштабные последствия того, что Parker Solar Probe измерял на месте.
Даниэле Теллони, исследователь Итальянского национального института астрофизики (INAF) при Астрофизической обсерватории Турина, является частью команды, создавшей инструмент Metis для Solar Orbiter, коронографа, который блокирует свет от поверхности Солнца и фотографирует корону. Это идеальный инструмент для крупномасштабных измерений, и поэтому Даниэле начал искать моменты, когда солнечный зонд Паркер окажется в нужном месте в нужное время.
Он рассчитал, что 1 июня 2022 года два космических корабля будут находиться практически в правильной орбитальной конфигурации. По сути, Solar Orbiter будет смотреть на Солнце, а солнечный зонд Parker будет находиться в стороне, достаточно близко, но вне поля зрения инструмента Metis.
Когда Даниэле взглянул на проблему, он понял, что все, что нужно, чтобы вывести на поверхность солнечный зонд Паркер, — это небольшая гимнастика с Solar Orbiter: разворот на 45 градусов, а затем наведение его немного в сторону от Солнца.
Но когда каждый маневр космической миссии тщательно планируется заранее, а сами космические корабли спроектированы так, чтобы указывать только в очень определенных направлениях, особенно когда они справляются с устрашающим жаром Солнца, было неясно, сможет ли команда управления космическими кораблями санкционировать такое отклонение. Однако, как только всем стало ясно о потенциальной научной отдаче, решением было однозначное «да».
Переворот и смещение наведения продолжались; солнечный зонд Паркер вошел в поле зрения, и вместе с ним космический корабль Solar Orbiter произвел первые в истории одновременные измерения крупномасштабной конфигурации солнечной короны и микрофизических свойств плазмы.
Сравнивая недавно измеренную скорость с теоретическими предсказаниями, которые делали физики Солнца на протяжении многих лет, Даниэле показал, что физики Солнца почти наверняка были правы в своем определении турбулентности как способа передачи энергии.
Конкретный способ, которым турбулентность делает это, мало чем отличается от того, что происходит, когда вы помешиваете утреннюю чашку кофе. Стимулируя случайные движения жидкости, газа или жидкости, энергия трансформируется во все более меньшие масштабы, кульминацией которых является преобразование энергии в тепло. В случае солнечной короны жидкость также намагничена, и поэтому накопленная магнитная энергия также доступна для преобразования в тепло.
Такая передача магнитной энергии и энергии движения от больших масштабов к меньшим и есть сама суть турбулентности. На мельчайших масштабах это позволяет флуктуациям наконец взаимодействовать с отдельными частицами, в основном протонами, и нагревать их.
Прежде чем мы сможем сказать, что проблема солнечного «отопления» решена, необходима дополнительная работа, но теперь, благодаря работе Даниэле, физики Солнца впервые измерили этот процесс.
«Эта работа представляет собой значительный шаг вперед в решении проблемы нагрева короны», — говорит Даниэль Мюллер, научный сотрудник проекта.
