Что-то странное происходит с Солнцем

До сих пор, почти каждый день в 2022 году оно вспыхивало в виде вспышек и выбросов корональной массы, некоторые из которых были самыми мощными извержениями, на которые способна наша звезда.

Само по себе извергающееся Солнце не является чем-то странным. Оно извергается регулярно, проходя через периоды высокой и низкой активности, циклы которых длятся примерно 11 лет.

Текущая активность значительно превышает официальные прогнозы NASA и NOAA для текущего солнечного цикла, и солнечная активность постоянно превышает прогнозы еще в сентябре 2020 года. Но ученый, изучающий солнечную активность, скажет вам, что даже это не так уж и странно.

"Мы не можем надежно предсказывать солнечные циклы", - сказал ScienceAlert солнечный астрофизик Майкл Уитленд из Сиднейского университета (Австралия).

"Мы не до конца понимаем солнечное динамо, которое генерирует магнитные поля, видимые на поверхности в виде солнечных пятен, и которое производит вспышки. Это одна из нерешенных проблем в астрофизике; неточность в предсказании неудивительна".

Неудивительно, конечно. Но что, если это отсутствие удивления - то, что мы ожидаем плохого прогнозирования солнечных циклов - означает, что нам нужно полностью переосмыслить то, как мы это делаем? Что если мы основываем наши прогнозы на неправильной метрике?

От 11 до 22 лет

Солнечные циклы оказывают огромное влияние на Солнечную систему, но относительно плохо изучены. Ученые установили, что они неразрывно связаны с солнечным магнитным полем, которое в виде дуг, вихрей и петель пересекает поверхность Солнца.

Примерно каждые 11 лет магнитные полюса Солнца меняются местами: северный становится южным и наоборот. Это переключение совпадает с так называемым солнечным максимумом, характеризующимся пиком активности солнечных пятен, вспышек и выбросов корональной массы (КВМ).

После такого разворота активность снижается, а затем снова возрастает до пика. Именно в этой фазе мы сейчас находимся - в фазе эскалации текущего цикла, 25-го по счету с момента начала подсчета.

Циклы активности характеризуются и прогнозируются на основе одного показателя: количества солнечных пятен, наблюдаемых на Солнце. Это временные области, где магнитные поля особенно сильны, что способствует извержению вспышек и КВМ. Они выглядят как темные пятна, потому что магнитное поле препятствует потоку горячей плазмы, и эти области впоследствии становятся холоднее и тусклее, чем их окружение.

По словам физика Солнца Скотта Макинтоша из Национального центра атмосферных исследований США, предсказание солнечных циклов на основе количества солнечных пятен является проблемой.

"Цикл солнечных пятен - это не главное. Это вторичная вещь", - сказал он ScienceAlert. "И то, как написан канон, то, как написаны учебники, то, как представлена солнечная активность, изображается как первичная".

"Проблема в том, что на самом деле это не так, и основным является цикл Хейла, 22-летний магнитный цикл. А цикл солнечных пятен - это лишь крошечное подмножество этой общей картины".

Цикл Хейла был открыт в начале 20 века американским астрономом Джорджем Эллери Хейлом. Он состоит из двух 11-летних циклов солнечных пятен - время, необходимое для того, чтобы полюса дважды поменялись местами, тем самым вернувшись в исходное положение.

Циклы Хейла, в отличие от 11-летних циклов, наблюдаются в ряде явлений. Это изменение магнитных полярностей как солнечных пятен, так и солнечных магнитных полюсов, а также интенсивность галактических космических лучей на Земле.

Солнечная активность затрудняет попадание космических лучей на Землю, однако нечетные и четные солнечные циклы имеют разные формы волны космического излучения. Это объясняется полярностью солнечного магнитного поля.

Объяснение солнечных пятен

Важно понимать, что у нас нет четкого представления о том, что происходит внутри Солнца. Считается, что солнечное магнитное поле генерируется динамо внутри звезды - вращающейся, конвективной и электропроводящей жидкостью, которая преобразует кинетическую энергию в магнитную, раскручивая магнитное поле в пространстве вокруг Солнца.

Если это так, то что вызывает появление солнечных пятен? Согласно существующим моделям, они связаны с вращением Солнца. Солнечный экватор вращается быстрее, чем полюса. Если бы прямые линии магнитного поля, идущие в продольном направлении, тянулись вместе с этим вращением, они бы растягивались и в конце концов спутались, создавая временные, локализованные области сильного магнитного поля, или солнечные пятна.

Это, по словам Макинтоша, основано на том, что магнитное поле является пассивным.

"У вас очень сложная система внутри Солнца. Как и во всех физических системах, мы делаем упрощения или приближения, чтобы попытаться понять, что происходит", - объяснил он.

"Примерно 60 лет назад они сделали приближение для магнитных полей - что они малы по сравнению с жидкостями на Солнце. Поэтому, когда Солнце циркулирует, как наша планета, вращение приводит к циркуляции, нагрев атмосферы приводит к циркуляции, и при всей этой циркуляции магнитные поля просто перетягиваются вместе с циркуляцией".

Анимации, демонстрирующие этот эффект, очень хорошо согласуются с данными наблюдений за солнечными пятнами: начальные магнитные поля появляются примерно на широте 30 градусов. Но, по словам Макинтоша и его коллег, это потому, что модель была создана для объяснения именно этого и только этого.

Существует и альтернативное объяснение: Солнечные пятна - это интерференционная картина, порожденная магнитными полями перекрывающихся циклов Хейла.

Макинтош и его коллеги впервые заметили закономерность, появившуюся в данных о солнечных пятнах в 2011 году, - наложение так называемых диаграмм бабочек. Это графики, которые показывают появление солнечных пятен по широте с течением времени.

Заметив это, исследователи нашли и изучили все исторические данные о солнечных пятнах, какие только смогли достать, вплоть до 1860-х годов.

Они обнаружили, что такое перекрытие продолжает появляться. К концу одного цикла солнечных пятен, когда пятна появляются все ближе и ближе к экватору, в средних широтах можно наблюдать появление пятен следующего цикла.

По мнению исследователей, это свидетельствует о том, что противоположно поляризованные полосы магнитной активности проходят свой путь по Солнцу циклично; они отвечают за цикл солнечных пятен, но не управляются им. Более того, циклы могут взаимодействовать; когда два цикла противоположной полярности накладываются друг на друга, они мешают друг другу.

В результате этого магнитные системы взаимно подавляют образование солнечных пятен, и наступает период минимальной активности Солнца.

"Цикл солнечных пятен - это результат взаимодействия между этими большими магнитными циклами", - сказал Макинтош в интервью ScienceAlert. "Другими словами, это похоже на интерференционную картину. Магнитные поля все время стремятся отменить друг друга".

Больше данных, всегда больше данных

Основываясь на результатах "интерференционной картины", Макинтош и его команда пришли к прогнозам текущего солнечного цикла, которые больше соответствуют текущим наблюдениям, чем официальные прогнозы, основанные на количестве солнечных пятен.

Однако на данном этапе все это теоретически.

Мы до сих пор не знаем, например, что движет полосами магнитной активности на Солнце; исследователи считают, что это могут быть гравитационные волны, но на данный момент у нас недостаточно информации, чтобы сказать об этом.

"Идеи Скотта Макинтоша интересны, и прогноз Макинтоша/Лимона [это Роберт Лимон из Института планетарной гелиофизики Годдарда Мэрилендского университета] на 25-й цикл ближе, чем официальный на данном этапе. Однако он не основан на физической модели. Я сомневаюсь, что он обладает большей предсказательной силой, чем другие подходы к прогнозированию, основанные на наблюдениях", - сказал Уитленд в интервью ScienceAlert.

Чтобы узнать больше, нам потребуется больше данных, на получение которых уйдет время". По словам Макинтоша, это означает, что нужно посмотреть на Солнце в высоких широтах, вблизи полюсов, когда формируется новый цикл.

Обычно мы не видим солнечные полюса, поскольку Земля вращается вокруг солнечного экватора, но аппарат Европейского космического агентства Solar Orbiter пролетит над ними как раз в момент начала нового цикла.

Макинтош считает, что есть что-то в том, что прогноз его команды ближе к тому, как происходил 25-й солнечный цикл. По крайней мере, идеи команды заслуживают более пристального внимания и серьезного изучения.

"Мы практически не ошибались уже около 10 лет, но это не получило распространения в научном сообществе", - сказал он.

"Этот солнечный цикл предоставил возможность. Поскольку наше предсказание было настолько диаметрально противоположным тому, что показывала консенсус-группа, это означает, что если мы окажемся близки, то нам действительно нужно еще раз взглянуть на то, как звезды создают магнитные поля".

"Может быть, это ближе к тому способу, который мы наблюдаем, в отличие от старого способа. И это может быть гибрид, некая смесь двух способов. Возможно, так оно и есть".

Последняя работа его команды о солнечных циклах была опубликована в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences.