Солнечные корональные петли могут вовсе не быть петлями

Мы все видели великолепные изображения и видеоролики корональных петель. Это изогнутые магнитные формы, которые заставляют ярко светящуюся плазму двигаться по своему пути. Они поднимаются над Солнцем, иногда на тысячи километров, прежде чем снова соединиться с Солнцем.

Но в новом исследовании говорится, что некоторые из тех, что мы видим, вовсе не петли. Вместо этого они являются оптической иллюзией. Так ли хорошо мы знаем Солнце, как нам кажется?

Корона Солнца - это самый внешний слой его атмосферы. Она состоит из плазмы, которая содержит много заряженных частиц. Это означает, что она легко реагирует на электромагнитные поля. Солнце обладает мощным магнитным полем, которое меняется в зависимости от места и времени. Иногда этот магнетизм гонит плазму высоко над короной, образуя причудливые структуры, называемые корональными петлями, которые в конце концов соединяются с поверхностью Солнца. Некоторые из этих структур могут существовать в течение нескольких дней или даже недель.

Но если новое исследование верно, то это означает, что многие из тех структур, которые кажутся петлями, не являются петлями.

Новое исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal. Его название - "Корональная вуаль". Анна Маланушенко, ученый из Национального центра атмосферных исследований, является ведущим автором.

Исследование основано на передовом трехмерном моделировании короны Солнца. Это позволило ученым выделить отдельные корональные петли, разрезав корону на отдельные участки. Исследователи обнаружили несколько петель, но их результаты показали, что многие из тех, что выглядели как петли, вовсе не были петлями.

"Я провел всю свою карьеру, изучая корональные петли", - сказал ведущий автор Маланушенко. "Я был рад, что это моделирование даст мне возможность изучить их более детально. Я даже не ожидал этого. Когда я увидел результаты, мой разум взорвался. Это совершенно новая парадигма понимания атмосферы Солнца".

Корональные петли ярко светятся в экстремальном ультрафиолетовом излучении из-за своей температуры. Их форма соответствует нашему пониманию магнетизма, поэтому вывод о том, что это петли, вполне логичен. Новое исследование не опровергает полностью существование петель. Но оно опровергает некоторые из них.

Это новое исследование заставляет ученых по-новому взглянуть на Солнце и его поведение. Авторы работы озадачены тем, что корональные петли не соответствуют тому, что они знают о магнетизме.

Линии магнитного поля Солнца мощные, но они все равно должны ослабевать дальше от источника. Поэтому, если корональные петли действительно являются петлями, которые текут вдоль линий поля Солнца, они должны расходиться тем дальше, чем дальше они от Солнца. Но этого не происходит. Изображения Солнца показывают, что петли по-прежнему тонкие и яркие, даже высоко над Солнцем.

"... Корональные петли, по-видимому, не имеют ожидаемого визуального расширения с высотой, поскольку ограничивающее магнитное поле ослабевает с высотой в среднем в короне", - отмечают авторы в своей работе.

Так если это не петли, то что же это такое?

Согласно исследованию, некоторые из них являются иллюзиями, которые они называют "корональной вуалью". И их существование заставляет авторов сомневаться в том, что, как они думали, они знали о Солнце.

"Это исследование напоминает нам как ученым, что мы всегда должны подвергать сомнению наши предположения и что иногда наша интуиция может работать против нас", - сказал Маланушенко.

Некоторые из петель являются тем, что они называют артефактами проекции. Но отличить настоящие корональные петли от артефактов нелегко. "Мы демонстрируем, как трудно определить по наблюдениям, соответствует ли конкретная петля нити в объеме или проекционному артефакту. Мы показываем, как внешне изолированные петли могут обманывать наблюдателей даже при наличии наблюдений с нескольких углов обзора", - пишут авторы.

Это исследование основано на новаторской симуляции, разработанной в основном в NCAR/UCAR. Симуляция называется MURaM. MURaM - это реалистичное моделирование, которое простирается из глубины Солнца - около 10 000 км под поверхностью - до почти 40 000 км в короне. Физические условия в этом широком диапазоне сильно различаются по давлению и плотности. MURaM имеет большое значение, поскольку до его разработки ученые не могли моделировать такой широкий диапазон условий.

MURaM позволил ученым наблюдать полный жизненный цикл солнечной вспышки, начиная с глубины Солнца, появления вспышки на поверхности и заканчивая ее взрывным выбросом в космос.

Но главным результатом данного исследования является набор данных, созданный MURaM. Эти наборы данных содержат структуру магнитного поля и плазмы, которая ему соответствует. MURaM позволяет ученым создавать "искусственные" наблюдения Солнца, включая корону. Корона Солнца оптически тонкая, что означает, что ее легко увидеть насквозь. Хотя это может показаться преимуществом для наблюдений, это не обязательно так.

Эта оптическая тонкость означает, что такие структуры, как корональные петли, могут перекрывать друг друга при наблюдении Солнца. И трудно определить, какие из них находятся на переднем плане, а какие - на заднем. Оптическая тонкость также затрудняет определение толщины петель. Толстые ли они, как садовый шланг? Или они тонкие, как лента, рассматриваемая по краю?

Есть и третья возможность при наблюдении этих петель в оптически тонкой короне. Вместо тонкой нити, петли могут быть оптической иллюзией, вызванной складками в листе плазмы.

MURaM - одна из самых мощных солнечных симуляций, когда-либо созданных. Она доказала свою надежность во многих отношениях, но исследователи все еще осторожны. В этой работе команда сравнила данные MURaM с реальными изображениями Солнца, полученными с помощью прибора Atmospheric Imaging Assembly (AIA) на Обсерватории солнечной динамики НАСА (SDO).

Сила симуляции MURaM в том, что исследователи могут анализировать данные симуляции таким образом, который невозможен при реальных наблюдениях. MURaM создает кубы данных, которые позволяют исследователям изучать регионы Солнца так, как это не могут сделать современные обсерватории и приборы.

"Поскольку петли соответствуют линиям поля, ученые предполагают, что петли являются проекциями на плоскость неба тонких трубок магнитного потока, наполненных плазмой различной температуры и плотности", - пишут авторы в своей статье. "Области между этими трубами потока также заполнены магнитными полями, но плазма более тусклая, потому что она менее плотная. Или это может быть другая температура, которая не очень хорошо проявляется в диапазоне длин волн прибора, регистрирующего ее".

Авторы изучили объемную эмиссию, чтобы увидеть эти более тусклые области между трубами потока. Тонкие срезы MURaM позволили исследователям препарировать данные и искать структуры и поведение, которые не видны на реальных изображениях. На этих срезах видно, что некоторые из тех областей, которые кажутся корональными петлями, не являются петлями, а состоят из гребней и морщин в плазме.

Это исследование поднимает вопросы о нашем понимании Солнца. Но одним из недостатков исследования является то, что оно основано на симуляции. Авторы признают это, а также то, что со временем симуляции играют все более заметную и значительную роль в астрономии и астрофизике.

Можем ли мы доверять MURaM?

Авторы отмечают, что MURaM является одной из самых реалистичных симуляций на сегодняшний день. Мы знаем это, потому что она производит многие вещи, которые мы можем четко наблюдать на Солнце. "Однако, как и любая другая симуляция, она, безусловно, подвержена критике. Тем не менее, мы считаем, что наши результаты имеют отношение к реальной короне...", - заявляют они.

Удивительным в этом открытии является то, что MURaM - не единственная симуляция, результаты которой подтверждают выводы данного исследования.

Следующий логичный вопрос: сколько из корональных петель являются реальными петлями, а сколько нет? На этот вопрос должны ответить новые методы наблюдений, и эти методы должны быть тщательно разработаны. Это также потребует новых методов обработки данных. Но ответ на этот вопрос приведет к лучшему пониманию физики Солнца.

"Мы знаем, что разработка таких методов будет чрезвычайно сложной задачей, но это исследование показывает, что то, как мы сейчас интерпретируем наблюдения за Солнцем, может оказаться недостаточным для того, чтобы по-настоящему понять физику нашей звезды", - сказал Маланушенко.

Исследование 2005 года, основанное на другом моделировании, показало, что след некоторых корональных петель "...морщинистый и не геометрически простой...". Авторы нового исследования утверждают, что это подтверждает их вывод о том, что некоторые корональные петли на самом деле не являются петлями.

Другое исследование, проведенное в 2014 году на основе моделирования корональных выбросов, также обнаружило выбросы, не похожие на петли. Изображения, полученные в ходе этого моделирования, показали диффузный компонент, несколько изолированных пятен и тонкие, яркие, похожие на листы структуры, аналогичные тем, которые MURaM показал в этом новом исследовании. Морщины в этих листоподобных структурах образовывали петли, которые выглядели как артефакты проекции, обнаруженные в новом исследовании.