Загадка солнечных вспышек

Гордон Холман
«В мире науки» №7, 2006

• Что нагревает газ?
• Пересечение линий
• Пока не увижу, не поверю

Что нагревает газ?

Погода на Земле формируется под влиянием солнечного света, перепадов давления воздуха и смены ветров. Но солнечные вспышки и другие составляющие «космической погоды» возникают в результате взаимодействия магнитных полей и очень горячего ионизованного газа, атомы которого лишены электронов. Такие контакты не всегда очевидны даже для специалистов. Предположения, как при этом возникают солнечные вспышки (теория магнитного пересоединения), были выдвинуты в 1950-х и 1960-х гг. Но данные наблюдений накапливались так медленно, что некоторые специалисты по космической физике начали сомневаться в работоспособности такой теории.

Большинство ученых согласны с тем, что выделяющаяся при вспышке энергия вначале должна запасаться магнитным полем Солнца. Вспышки всегда происходят в так называемых активных областях Солнца, где локальные магнитные поля намного сильнее среднего. Эти области легко обнаруживаются по наличию в них солнечных пятен — «темных островков», обладающих самым сильным магнитным полем. В них силовые линии магнитного поля тянутся от поверхности в корону (внешний слой солнечной атмосферы), выгибаясь вверх широкой петлей, захватывающей горячий газ, температура которого достигает нескольких миллионов кельвинов, что достаточно, чтобы заставить газ излучать в далеком ультрафиолетовом и в рентгеновском диапазонах. Если в активной области происходит вспышка, то она возникает среди особенностей магнитного поля и заставляет газ в петлях нагреваться больше, чем обычно: от 10 до 40 млн К.

В результате рекордно сильной вспышки, произошедшей 4 ноября 2003 г. вблизи солнечного края, датчик ультрафиолетового телескопа на спутнике SOHO (Solar and Heliospheric Observatory — «Солнечная и гелиосферная обсерватория») зашкалило (левое фото). Как и в других подобных случаях, рядом расположено солнечное пятно, т. е. область интенсивного магнитного поля (правое фото). SOHO (ESA & NASA), фото с сайта sohowww.nascom.nasa.gov)

Возможная связь между вспышками и сильным магнитным полем позволяет понять механизм вспышек. Например, астрономы только недавно убедились, что петли магнитного поля и горячий газ, участвующие во вспышке, заметно отличаются от внешне похожих структур в других местах активных областей. Первые признаки различия обнаружились 14 лет назад в наблюдательных данных японского спутника «Йоко», космической обсерватории, впервые получившей изображения солнечных вспышек в довольно жестком рентгеновском диапазоне (что дало информацию об очень горячем газе). У некоторых магнитных петель на вершинах были острые выступы, придающие им остроконечную форму готической арки вместо обычной закругленной.

Исследуя изображения, полученные «Йоко», Сатоши Масуда (Satoshi Masuda), тогда еще студент Токийского университета, обнаружил, что область острого выступа одной из вспышек 1992 года испускала необычно мощный жесткий рентген. Сатоши заключил, что источником служило облако исключительно горячего газа (около 100 млн К), которое должно ярко светить на коротких волнах рентгеновского диапазона. Правда, не исключено, что из-за некого процесса, происходящего в данной области, электроны получили очень высокое ускорение и стали светить в рентгеновском диапазоне, сталкиваясь с ионами окружающего газа и внезапно замедляясь.

Рентгеновские изображения солнечных вспышек, полученные спутником «Йоко». Комбинированное изображение в мягком рентгене (слева) и контуры мягкого и жесткого рентгена (справа). Фото с сайта hesperia.gsfc.nasa.gov)

Если газ такой горячий, то как он может сохраняться в столь ограниченном объеме? А если источником рентгеновского излучения являются ускоренные электроны, сталкивающиеся с ионами, то почему излучение происходит в определенном месте вблизи вершины петли, а не у ее основания, где плотность газа намного выше?

Чтобы ответить на эти вопросы, специалистам по космической физике нужны были наблюдения, которые помогли бы отличить излучение горячего газа от излучения ускоренных электронов. Также нужно было получить ряд изображений Солнца в широком диапазоне рентгеновского и гамма-излучения, чтобы понять, когда и где выделяется энергия. Отсутствие такой информации затрудняло исследования в течение многих лет, но в 2002 году NASA запустило спутник с прибором для получения спектральных изображений Солнца в жестком диапазоне (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, RHESSI), который передал детальные изображения областей выступов некоторых солнечных вспышек. Фактически, он получил бесспорные доказательства того, что магнитное пересоединение ответственно и за вспышки, и за выбросы корональной массы.