Корональные петли Солнца могут быть оптической иллюзией

Одной из самых впечатляющих особенностей Солнца являются его корональные петли - раскаленные структуры горячей плазмы, которые на тысячи километров простираются над магнитно-активными областями Солнца, образуя как бы изгибающиеся нити.

Но внешний вид может быть обманчив. Теперь группа физиков, изучающих Солнце, утверждает, что эти знаковые структуры на самом деле могут вовсе не быть петлями. Вместо этого петли могут быть иллюзией, корни которой уходят в более сложную структуру - магнитный лист или занавес, который растягивается и сминается. Команда называет это корональной вуалью, и они считают, что яркие корональные петли появляются там, где эта вуаль смята, и наша линия зрения проходит через большую ее часть.

Это понимание пришло в результате изучения моделирования магнитного поля Солнца, опубликованного 2 марта в "Астрофизическом журнале".

"Я потратил всю свою карьеру на изучение корональных петель", - сказал в своем заявлении Маланушенко, исследователь из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо, и ведущий автор исследования. "Я никогда не ожидал такого. Когда я увидел результаты, мой разум взорвался. Это совершенно новая парадигма понимания атмосферы Солнца".

Приподнять завесу

На протяжении десятилетий ученые обычно полагали, что корональные петли являются тем, чем они выглядят - нитями горячей светящейся плазмы. Поскольку плазма состоит из частиц с электрическим зарядом, на их движение влияет магнитное поле Солнца. Физики говорят, что плазма "вморожена" в магнитное поле: Магнитная сила направляет плазму вдоль линий магнитного поля - тех самых линий, которые железные опилки прочерчивают вокруг стержневого магнита. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эти яркие петли представляют собой тонкие нити "вмороженной" плазмы, которые следуют за кривизной магнитного поля.

Однако есть несколько проблем с гипотезой о нитях, которые ставят ее под сомнение. Первая заключается в том, что линии магнитного поля имеют тенденцию расходиться веером дальше от своего источника - будь то стержневой магнит или группа солнечных пятен. Это означает, что если корональные петли являются нитями, которые прослеживают линии магнитного поля, то они также должны разветвляться и становиться шире высоко над поверхностью Солнца. Но наблюдения показывают другое. "Общее мнение таково, что они действительно расширяются с высотой, но не так сильно, как мы думаем", - сказал Маланушенко в интервью Astronomy.

Другая проблема с гипотезой нитей связана с тем, что атмосфера Солнца становится менее плотной все дальше от его видимой поверхности. Это означает, что вершины корональных петель также должны быть тоньше и, следовательно, не такими яркими, как их основания. Вместо этого они сохраняют относительно равномерную яркость сверху вниз.

Эти физические модели демонстрируют разницу между традиционным описанием корональных петель как нитей плазмы (слева) и новым, предложенным объяснением, что они являются морщинами в плазменной вуали (справа).

Но эти несоответствия исчезают в рамках гипотезы о вуали, где петли не соответствуют компактным нитям плазмы, а являются перспективным эффектом, вызванным морщинами в листе плазмы. Эффект аналогичен тонкой вуали: Когда материал сминается так, что мы видим его с краю, или складывается так, что мы смотрим через несколько слоев, он поглощает больше света и закрывает нам вид на то, что находится за ним. Конечно, поскольку плазма в солнечной короне излучает свет, а не поглощает его, такие складки кажутся нам ярче, а не темнее.

Трудно проверить

Тот факт, что в повседневной жизни мы не имеем большого опыта общения с тонкими листами раскаленных газов, вероятно, является одной из причин того, что гипотеза о морщинистой вуали не рассматривалась ранее всерьез, говорит Маланушенко.

Но есть некоторые астрофизические прецеденты в ночном небе - наиболее известна туманность Вуаль, которая состоит из остатков расширяющегося облака обломков сверхновой звезды в созвездии Сигнус 10 000 - 20 000 лет назад. Объект состоит из нитей, похожих на веревки, но общепринятое объяснение состоит в том, что расширяющаяся ударная волна нагретого газа образует тонкий слой, который виден нам только тогда, когда он смят и скомкан вдоль нашей линии зрения.

Для Солнца команда качественно подкрепляет гипотезу о вуали примерами из широко используемой модели солнечного магнитного поля под названием MURaM, разработанной исследователями из Центра Макса Планка по изучению Солнечной системы в Геттингене, Германия, и Чикагского университета.

"Я был очень взволнован тем, что в симуляции я могу взять скальпель и разрезать модель на различные части, выделить отдельные петли и изучить их", - говорит Маланушенко. "И то, что я увидел, было совсем не похоже на то, что я ожидал".

Особенности, которые с одного угла выглядели как корональные петли, при рассмотрении в поперечном сечении оказались не пучками нитей, а закрученными листоподобными элементами.

В этой симуляции магнитного поля Солнца в MURaM особенности, похожие на корональные петли (слева), формируются из завихрений плазмы (справа).

Команда охотно признает, что для проверки своей гипотезы необходимо проделать еще много работы - и есть много трудностей, чтобы сделать это наблюдательно, говорит Маланушенко. Команда считает, что структуры настолько сложны, что даже с нескольких точек зрения будет очень трудно, если вообще возможно, определить, какая петля какая, и определить геометрию завесы, если она существует.

Проведение прямых измерений корональной вуали с помощью космических аппаратов также находится за пределами наших возможностей в настоящее время. Солнечный зонд НАСА Parker Solar Probe, запущенный в 2018 году, совершит самое близкое в истории приближение космического аппарата к Солнцу, подойдя на расстояние 4 миллионов миль (6,4 миллиона километров) к его видимой поверхности. Но для прямого отбора образцов корональных петель или проведения измерений in situ аппарату придется приблизиться примерно в 1 000 раз.

На данный момент команда планирует продолжить работу, выполнив дополнительные моделирования и сравнив результаты с наблюдениями. Одна из стратегий, позволяющих провести различие между теориями петель и вуали, заключается в том, чтобы посмотреть на контраст яркости видимых петель, а также на пространство между ними. Нити должны резко выделяться на общем фоне, в то время как вуаль приведет к более рассеянному излучению между яркими складками.

Возможно, что усовершенствование моделирования позволит выработать более сильную стратегию наблюдений, говорит Маланушенко. "Учитывая силу этого воздействия, да, мы должны быть осторожны. Мы должны искать наблюдательные подтверждения".