Атмосфера Сонця називається короною. Вона складається з електрично зарядженого газу, плазми, температура якої становить близько мільйона градусів за Цельсієм.
Її температура є загадкою, оскільки температура поверхні Сонця складає всього близько 6000 градусів. Корона повинна бути холоднішою, ніж поверхня, тому що енергія Сонця виходить з ядерної печі в його ядрі, і що далі від джерела тепла, то холодніше стає природним чином. Однак корона більш ніж у 150 разів гарячіша за поверхню. Повинен діяти інший метод передачі енергії до плазми, але який?
Давно підозрювалося, що турбулентність у сонячній атмосфері може призвести до значного нагрівання плазми у короні. Але коли справа доходить до дослідження цього явища, фізики Сонця стикаються з практичною проблемою: неможливо зібрати всі необхідні дані за допомогою лише одного космічного корабля.
Є два способи дослідження Сонця: дистанційне зондування та вимірювання на місці. При дистанційному зондуванні космічний корабель розташовується на певній відстані та використовує камери для спостереження за Сонцем та його атмосферою у різних довжинах хвиль. Для вимірювань на місці космічний корабель пролітає через область, яку він хоче дослідити, та проводить вимірювання частинок та магнітних полів у цій частині космосу.
Обидва підходи мають свої переваги. Дистанційне зондування показує масштабні результати, але з деталі процесів, які у плазмі. Тим часом, натурні виміри дають дуже конкретну інформацію про дрібномасштабні процеси в плазмі, але не показують, як це впливає на великомасштабні.
Щоб отримати повну картину, потрібні два космічні кораблі. Це саме те, що в даний час є у фізиків Сонця у вигляді космічного корабля Solar Orbiter під керівництвом ЄКА та сонячного зонду NASA Parker. Solar Orbiter спроектований так, щоб наближатися до Сонця якомога ближче і виконувати операції дистанційного зондування, а також вимірювання на місці. Parker Solar Probe значною мірою призначений не так для дистанційного зондування самого Сонця, як для ближчих вимірювань на місці.
Але щоб повною мірою скористатися перевагами їх взаємодоповнюючих підходів, Parker Solar Probe має знаходитися у полі зору одного із інструментів Solar Orbiter. Таким чином Solar Orbiter зможе зафіксувати масштабні наслідки того, що Parker Solar Probe вимірював на місці.
Даніеле Теллони, дослідник Італійського національного інституту астрофізики (INAF) при Астрофізичній обсерваторії Туріна, є частиною команди, яка створила інструмент Metis для Solar Orbiter, коронографа, який блокує світло від поверхні Сонця та фотографує корону. Це ідеальний інструмент для масштабних вимірювань, і тому Даніеле почав шукати моменти, коли сонячний зонд Паркер опиниться в потрібному місці в потрібний час.
Він розрахував, що 1 червня 2022 року два космічні кораблі будуть знаходитися практично в правильній орбітальній конфігурації. По суті, Solar Orbiter дивитися на Сонце, а сонячний зонд Parker буде осторонь, досить близько, але поза увагою інструменту Metis.
Коли Даніеле глянув на проблему, він зрозумів, що все, що потрібно, щоб вивести на поверхню сонячний зонд Паркер, — це невелика гімнастика із Solar Orbiter: розворот на 45 градусів, а потім наведення його трохи убік від Сонця.
Але коли кожен маневр космічної місії ретельно планується заздалегідь, а самі космічні кораблі спроектовані так, щоб вказувати тільки в дуже певних напрямках, особливо коли вони справляються з жахливим жаром Сонця, було неясно, чи зможе команда управління космічними кораблями санкціонувати таке відхилення. Однак, як тільки всім стало ясно про потенційну наукову віддачу, рішенням було однозначне «так».
Переворот та усунення наведення тривали; Сонячний зонд Паркер увійшов у поле зору, і разом з ним космічний корабель Solar Orbiter зробив перші в історії одночасні виміри великомасштабної конфігурації сонячної корони та мікрофізичних властивостей плазми.
Порівнюючи нещодавно виміряну швидкість з теоретичними пророкуваннями, які робили фізики Сонця протягом багатьох років, Даніеле показав, що фізики Сонця майже напевно мали рацію у своєму визначенні турбулентності як способу передачі енергії.
Конкретний спосіб, яким турбулентність робить це, мало чим відрізняється від того, що відбувається, коли ви помішуєте ранкову чашку кави. Стимулюючи випадкові рухи рідини, газу або рідини, енергія трансформується в дедалі менші масштаби, кульмінацією яких є перетворення енергії в тепло. У разі сонячної корони рідина також намагнічена, і тому накопичена магнітна енергія також доступна для перетворення тепло.
Така передача магнітної енергії та енергії руху від великих масштабів до менших і є сама суть турбулентності. На дрібних масштабах це дозволяє флуктуаціям нарешті взаємодіяти з окремими частинками, переважно протонами, і нагрівати їх.
Перш ніж ми зможемо сказати, що проблема сонячного «опалення» вирішена, необхідна додаткова робота, але тепер завдяки роботі Даніеле фізики Сонця вперше виміряли цей процес.
«Ця робота є значним кроком уперед у вирішенні проблеми нагрівання корони», — каже Даніель Мюллер, науковий співробітник проекту.
