За допомогою найбільшого у світі сонячного телескопа та комп’ютерних симуляцій науковці вперше розгледіли крихітні вихори плазми, що закручуються на поверхні Сонця. Ці структури можуть пояснити, як наша зоря скручує, зберігає та переносить магнітну енергію, повідомляє SciTechDaily.
Йдеться про спостереження на видимій поверхні Сонця — фотосфері, де гаряча плазма постійно піднімається з надр, охолоджується й знову опускається. На межах цих «киплячих» областей, відомих як гранули, дослідники побачили раніше невідомі вихрові структури.
Рекордна роздільна здатність і моделювання
Плазмові вихори виявили завдяки спільній роботі телескопа Даніеля К. Іноуе (Daniel K. Inouye Solar Telescope) на Гаваях і передових фізично обґрунтованих комп’ютерних моделей. У дослідженні брали участь фахівці Національної сонячної обсерваторії NSF (NSF NSO), Інституту дослідження Сонячної системи товариства Макса Планка (MPS) в Німеччині та Висотної обсерваторії (HAO) у США.
Щоб побачити нові структури, потрібно було розрізнити деталі розміром лише близько 20 кілометрів на сонячній поверхні — це межа можливостей навіть найбільшого сонячного телескопа та найсучасніших симуляцій. Для спостережень застосували широкосмугову камеру, створену в MPS, а науковець MPS і співавтор роботи Міхіль ван Ноорт (Michiel van Noort) долучився як до отримання даних, так і до їх обробки та відновлення зображень.
На зображеннях із просторовою роздільною здатністю близько 20 км, отриманих телескопом Іноуе, у збільшених ділянках вперше зафіксовано характерні візерунки, які вказують на нестійкість Кельвіна–Гельмгольца на поверхні Сонця.
Вихори на межах гранул і нестійкість Кельвіна–Гельмгольца
Нові структури формуються вздовж меж гранул — світлих «комірок», що густо вкривають Сонце й мають діаметр приблизно від 500 до 2000 кілометрів. Разом вони утворюють знайомий астрономам малюнок сонячної грануляції.
Грануляція виникає через конвекцію: плазма підіймається з гарячого внутрішнього шару, охолоджується біля поверхні й опускається назад. Саме по краях цих гранул дослідники помітили тонкі бахромчасті структури, які знову й знову закручуються у рухи, схожі на хвилі, що ламаються в океані.
Частина таких «бахром» має розмір трохи більший за 20 кілометрів. З Землі побачити подібну структуру — все одно, що розпізнати монету в один євро з відстані близько 180 кілометрів.
Науковці інтерпретують ці закручені візерунки як прояви нестійкості Кельвіна–Гельмгольца — добре відомого явища в гідродинаміці. Воно виникає, коли сусідні шари рідини або газу рухаються з різними швидкостями, створюючи зсувні напруження на межі. Невеликі збурення тоді можуть наростати й перетворюватися на хвилі або вихори.
Такий процес спостерігають у багатьох середовищах: на поверхні озер, у морських хвилях, у хмарах, в атмосферах Юпітера і Сатурна, а також у зонах взаємодії сонячного вітру з магнітосферами планет. На межах сонячних гранул плазмові шари, ймовірно, теж рухаються з різними швидкостями, створюючи умови для виникнення нестійкості Кельвіна–Гельмгольца.
Порівняння спостережень телескопа Іноуе з результатами детальних комп’ютерних симуляцій показало разючу подібність. Це дозволило авторам підтвердити, що спостережувані візерунки справді є проявами цієї універсальної фізичної нестійкості. Карти змодельованого магнітного поля на поверхні Сонця додатково демонструють, що процеси, пов’язані з нестійкістю, фізично згинають і деформують межі магнітних елементів.
Як вихори впливають на магнітні поля Сонця
Крихітні вихори можуть допомогти розв’язати давню проблему: як Сонце накопичує енергію в магнітному полі та як потім вивільняє її, зокрема у вигляді невеликих спалахів випромінювання — так званих наноспалахів.
Згідно з сучасними уявленнями, магнітна енергія накопичується, коли лінії магнітного поля скручуються й намотуються, подібно до того, як напруга наростає в туго закрученій металевій пружині. Чим більше енергії зберігається, тим менш стабільною стає така конфігурація.
Зрештою енергія може втікати через магнітне перез’єднання: викривлені лінії розриваються й з’єднуються в новому порядку, вивільняючи накопичену енергію. Однак донині було неясно, що саме постійно змушує магнітні лінії скручуватися.
Нововідкриті вихори, як вважають дослідники, можуть бути частиною відповіді. Оскільки вони, здається, виникають безперервно в зонах із достатньо сильним магнітним полем, закручений рух плазми здатний регулярно «підкручувати» локальні магнітні структури.
Прискорене поширення магнітного потоку
Аналіз також показує, що ці мікровихори ефективно змішують намагнічену плазму з ненамагніченою поблизу сонячної поверхні. Таке змішування може допомагати магнітним полям швидко просуватися вгору, у сонячну атмосферу.
Це має значення, оскільки магнітна активність Сонця змінюється з періодом близько 11 років — надзвичайно швидко за космічними мірками. Для такої швидкої перебудови магнітної структури потрібен ефективний перенос магнітного потоку крізь атмосферу.
Наявні моделі довго не могли повністю пояснити настільки швидку «дифузію» магнітних структур. Виявлені вихори пропонують можливий механізм, який може частково розв’язати цю загадку: турбулентне змішування на дрібних масштабах забезпечує швидший відтік магнітного потоку від поверхні.
За словами директора MPS Самі К. Соланкі (Sami K. Solanki), нові плазмові вихори наочно демонструють, як процеси на межі роздільної здатності найкращих інструментів можуть істотно визначати властивості нашої зірки. Попереду — подальші спостереження й моделювання, які мають уточнити роль цих мікроструктур у загальній динаміці сонячного магнітного поля.
#Мініатюрні #вихори #на #поверхні #Сонця #викривляють #магнітні #поля
Source link
