Ученые выяснили, почему корона Солнца горячее его поверхности

Астрофизики предложили решение «проблемы нагрева Солнечной короны» — резкого повышения температуры, которое происходит при удалении от поверхности звезды. Для этого ученые объединили две существовавшие ранее теории, объяснявшие этот эффект турбулентными потоками и магнитными волнами.

Как правило, чем дальше мы удаляемся от источника тепла, тем холоднее становится. Однако для Солнца эта закономерность не работает. Температура на поверхности звезды достигает шести тысяч градусов Цельсия, а при удалении от нее всего на несколько сотен километров происходит резкое повышение температуры. Корона Солнца может нагреваться уже до полутора миллионов градусов Цельсия, создавая поток ионизированных частиц — солнечный ветер, достигающий и нашей планеты.

Ученые из Университета Отаго (Новая Зеландия) нашли возможную причину этого необычного эффекта. Результаты их исследования опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Ранее астрофизики полагали, что этот внезапный скачок температуры связан с магнитными полями звезды, однако не ясно было, как именно они нагревают газ. Вопрос был известен как «проблема нагрева Солнечной короны». Существовало несколько гипотез, описывающих, как именно энергия магнитного поля преобразуется в тепло. Одна из самых популярных гласила, что нагрев вызван турбулентными потоками внутри атмосферы звезды, которые переносят энергию в корону. Сторонники второй называли причиной особые ионно-циклотронные магнитные волны.

Но ни одна из этих гипотез не согласуется полностью с результатами наблюдений. Низкочастотную турбулентность, которая может выносить энергию из звезды в ее атмосферу, наблюдали космические аппараты. Однако она не может объяснить, почему в короне Солнца ионы нагреваются сильнее, чем электроны. Такой эффект могли бы вызвать высокочастотные ионно-циклотронные волны, но их недостаточно, чтобы нагреть газ до таких высоких температур, к тому же не совсем понятен их источник.

Чтобы найти ответ, ученые с помощью суперкомпьютера провели шестимерное моделирование коронального газа. Оказалось, обе гипотезы можно объединить в одну. Два процесса связывает недавно обнаруженный физический эффект «спирального барьера». Он ограничивает нагрев электронов, не давая турбулентному каскаду энергии спуститься с уровня ионов. При этом остановленную энергию турбулентного потока спиральный барьер преобразует в ионно-циклотронные волны.

Когда ученые смоделировали турбулентность, способную породить достаточные для нагрева короны ионно-циклотронные волны, они обнаружили на поверхности звезды вихри, напоминающие те, которые на самом деле наблюдал космический аппарат Nasa Parker Solar Prob, недавно вошедший в корону Солнца.

Понимание процессов, происходящих в атмосфере Солнца, необходимо из-за огромного влияния солнечного ветра на нашу планету. Результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли становится множество событий — от северного сияния до радиации, которая может разрушать спутники, и геомагнитных бурь, повреждающих энергосистемы.