Солнечная вспышка в дальнем ультрафиолете и изображение региона ускорения электронов. / © Sijie Yu of NJIT/CSTR; NOAA GOES-16/SUVI
Солнечные вспышки — самые мощные взрывы, происходящие в Солнечной системе на регулярной основе. Энерговыделение большой вспышки может достигать миллиардов мегатонн — в десятки миллионов раз мощнее извержений вулканов Кракатау или Хунга-Тонга, последнее из которых потрясло Тихий океан в январе этого года. Подробно мощные вспышки и их опасности отлично разобраны тут, а в этой заметке остановимся на их природе кратко.
Вспышки на Солнце происходят благодаря магнитному полю, которое над солнечными пятнами бывает в тысячи раз сильнее земного. Иногда дрейф магнитных полей приводит к встрече силовых линий противоположной полярности. Магнитное поле в регионе вспышки, в соответствии с законом сложения векторов, при этом резко ослабевает, а его энергия переходит в токи, за минуты разогревающие огромные объемы плазмы над видимой поверхностью светила до многих миллионов градусов.
Эти взрывы порождают рентгеновское излучение, выбросы плазмы с поверхности Солнца и испускание заряженных частиц высокой энергии. Достигая Земли, такие явления вызывают магнитные бури и скачки радиационного фона на орбите. Самые мощные вспышки представляют значительную опасность для земных электросетей, искусственных спутников и даже для здоровья космонавтов.
Долгое время механизм ускорения заряженных частиц в солнечных вспышках оставался неизвестным. Теперь, наконец, ученые из Технологического института Нью-Джерси (NJIT) во главе с Грегори Фляйшманом разобрались, где именно солнечные вспышки ускоряют электроны солнечной плазмы. Этот важный результат опубликован в престижном научном журнале Nature.
Ученые наблюдали солнечные вспышки с помощью радиотелескопа EOVSA. Двигаясь в магнитных полях, электроны испускают радиоизлучение, и с помощью его наблюдений можно составить карту распределения электронов различных энергий. Наблюдения в одиночные радиотелескопы не отличаются высоким разрешением, поэтому ученые сравнивали их результаты с кадрами обсерватории SDO (Solar Dynamics observatory, космическая обсерватория солнечной динамики).
Эта обсерватория непрерывно наблюдает Солнце из космоса, и ее изображения в дальнем ультрафиолете, в котором лучше всего видны активные области солнечной атмосферы, остаются самыми детальными из доступных на сей день.
Мощная солнечная вспышка 12 ноября 2012 года, в нескольких длинах волн дальнего ультрафиолетового диапазона: слева – 30,4 нанометров, посередине – 19,3 нанометров, справа – 33,5 нанометров. Эти длины волн примерно в 20 раз короче, чем у видимого света. / © NASA/SDO/Goddard Space Flight Center.
Десятого сентября 2017 года ученым удалось пронаблюдать мощную вспышку, расположенную подходящим образом — на краю солнечного диска, — и в деталях исследовать процессы, происходящие с электронами солнечной плазмы в затронутом объеме. В начале вспышки электроны имеют энергию, соответствующую температуре плазмы (несколько миллионов градусов). По мере развития в области так называемой арки солнечной вспышки (flare cusp) эти тепловые электроны исчезают, а вместо них появляются ускоренные электроны.
Как выяснилось, этот процесс ускорения обладает удивительной эффективностью. Все электроны в объеме арки оказались разогнанными до энергий не менее 20 килоэлектронвольт — не менее, чем в сотню раз больше их исходной энергии.
Слева: распределение электронов различных энергий в солнечной вспышке. Оранжевым показаны тепловые электроны, а синим – ускоренные, которые появляются в области арки во второй половине анимации. Справа: синхронизированная анимация той же самой солнечной вспышки, созданная из кадров SDO; контурами показана область ускорения электронов. / © NJIT/CSTR; NASA SDO/AIA.
Теперь, основываясь на полученных данных, ученые собираются смоделировать процесс ускорения и выяснить его физическую природу. Геометрия ускоряющего региона напоминает разгон космических лучей во вспышках сверхновых, где протоны оказываются «запертыми» расширяющейся ударной волной. Двигаясь по касательной, они набирают энергию в магнитных полях волны, пока не ускорятся до фантастических энергий, которые позволяют им, наконец, покинуть ускоряющий регион.
В солнечных вспышках механизм разгона может оказаться другим — вероятно, он напрямую связан с индукцией, возникающей при ослаблении магнитного поля. Выяснение его деталей — цель дальнейшей работы.
Ученые разрабатывают инструмент следующего поколения — Frequency Agile Solar Radiotelescope (солнечный радиотелескоп с быстрой настройкой частоты), специально предназначенный для изучения динамических процессов в солнечной атмосфере. Когда его введут в строй, не придется дожидаться удачно расположенных мощных вспышек: для исследования станут доступны обычные, куда более частые солнечные вспышки.
