Загадка солнечных вспышек

Гордон Холман
«В мире науки» №7, 2006

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

Пока не увижу, не поверю

Как при быстром, так и при медленном пересоединении толщина токового слоя составляет лишь несколько метров, поэтому разрешить его при наблюдении Солнца с помощью современных приборов невозможно. Однако благодаря вышеописанным процессам в компактных областях появляются магнитные поля.

Несмотря на то, что пересоединение может часто происходить во многих областях на Солнце, оказалось, что найти прямые доказательства этого довольно трудно. Выручили данные RHESSI. В 2003 году Линьхуи Суи (Linhui Sui), аспирант Католического университета Америки, работавший со мной в центре космических полетов Годдарда NASA, анализировал наблюдения RHESSI одной вспышки умеренной интенсивности, произошедшей 15 апреля 2002 года. Она вызвала выброс корональной массы под углом, облегчавшим ее исследование. К тому же, она имела структуру простой петли и выглядела обычной. Однако Суи заметил компактный источник мягкого рентгена, парящий над магнитной петлей и не связанный с ней. Мы получили ряд последовательных изображений от начала до конца вспышки общей длительностью около 10 минут.

На серии рентгеновских снимков, полученных RHSSI, видна вспышка 15 апреля 2002 года, сопровождавшаяся выбросом корональной массы. Источник рентгеновского излучения появился как красное вздутие над основной петлей горячего газа (слева) и над видимым краем Солнца (белая линия). Он несколько минут оставался неподвижным, пока вершина петли опускалась (в центре), но затем был выброшен в пространство (справа). Все это подтверждает предположение, согласно которому за вспышку и выброс корональной массы ответственно пересоединение силовых линий на вершине магнитных петель. Мы действительно наблюдаем то, что можно ожидать в рамках данного сценария: после перезамыкания магнитного поля у вершины петель половина вновь сформированных силовых линий должна переместиться вниз, а другая часть — сдвинуться вверх, вызывая выброс корональной массы (NASA, фото с сайта spaceflightnow.com)

Вначале загадочный источник рентгена располагался у вершины петли. Во время вспышки возникло жесткое рентгеновское излучение, вершина петли опустилась вниз, но компактный источник оставался на месте. В кульминационный момент, когда рентгеновское излучение достигло максимума, петля резко изменила направление и начала двигаться вверх. Таинственный источник рентгеновского излучения тоже направился вверх, но намного быстрее. В течение двух минут он ослаб и исчез. Никто раньше не видел такого развития событий. Источник рентгеновского излучения, который вначале казался неподвижным, был выброшен из Солнца со скоростью 300 км в секунду — это скорость выброса корональной массы после вспышки. Суи и я заподозрили, что наконец-то удалось обнаружить неуловимый источник выброса вещества. Кроме того, измерения температуры указали область выделения энергии: между вершиной магнитной петли и странно ведущим себя источником рентгеновского излучения.

Данные наблюдения как раз соответствует тому, что мы ожидаем увидеть, если пересоединение магнитного поля происходит выше петли в вертикально ориентированном слое электрического тока. Корональное магнитное поле и плазма, вероятно, втекают в токовый слой горизонтально с обеих сторон. Там противоположно направленные магнитные поля пересоединяются, и половина недавно сформированных силовых линий быстро перемещается вниз, где они укладываются в уже существующие магнитные петли. Другая часть пересоединенного поля устремляется вверх, создавая большую закрученную петлю, уже не связанную с Солнцем. По крайней мере, при некоторых вспышках эти искривленные петли магнитных полей должны породить выбросы корональной массы. Магнитное пересоединение открывает путь центральной части такой петли и заключенному в ней плазменному пузырю для взлета над Солнцем, как будто удерживающие воздушный шар канаты внезапно перерезаются.

ОБЪЕДИНЯЯ ПРОТИВОПОЛОЖНОСТИ

Источником энергии солнечных вспышек служит магнитное пересоединение — явление, при котором силовые линии солнечного магнитного поля сходятся и быстро перестраиваются. При таком перезамыкании силовых линий энергия магнитного поля нагревает ближайшие области атмосферы Солнца и разгоняет заряженные частицы до высокой скорости.

Перекройка поля

Магнитное пересоединение происходит тогда, когда силовые линии противоположно направленных магнитных полей сталкиваются. На рисунке справа линии, направленные влево и в право, движутся к центру. При этом формируется горизонтальный слой электрического тока. Противоположно направленные магнитные поля могут сливаться в слое, частично уничтожая друг друга и высвобождая магнитную энергию. Новые силовые линии (боковые) формируются выше и ниже токового слоя и быстро уходят от места перезамыкания.

На Солнце (внизу) магнитное пересоединение может принимать сложные формы, иногда меняя структуру аркад — галерей из магнитных петель, примыкающих друг к другу. Например, иногда множество петель одновременно сжимается (слева), что может закончиться полным пересоединением, приводящим к вспышке и создающим спиральное магнитное поле над низкой галереей петель (справа; цвет линий меняется в тех местах, где произошло пересоединение). Спиральное поле и содержащееся в нем вещество могут расширяться наружу, становясь выбросом корональной массы.

Свидетели происшествия

Пересоединение часто оставляет характерные улики. Фото, полученное обсерваторией TRACE в сентябре 2000 года, показывает запутанную сеть петель, которые были видны спустя 2 часа после вспышки (слева). Конфигурация магнитного поля перед этой вспышкой неизвестна, но запутанные петли на изображении указывают, что, вероятно, произошло пересоединение, оставившее после себя не связанные с солнечной поверхностью части магнитной галереи.

Полученная картина вспышки 2002 года помогает объяснить и более ранние наблюдения «Йоко». Острый выступ, замеченный на вершине петель вспышки 1992 года, вероятно, лежал непосредственно под невидимым токовым слоем, где магнитное пересоединение непрерывно создавало новые силовые линии, которые обрушивались на поле. Острый выступ ярко сиял в рентгеновском диапазоне из-за постоянного притока горячей плазмы и ускоренных электронов из расположенного выше него токового слоя и, возможно, из-за нагрева и ускорения электронов в самом выступе.

Итак, стало ясно, как возникают, по крайней мере, некоторые солнечные вспышки, и почему происходит выброс корональной массы. Но остается еще много вопросов. Например, чем вызвано ускорение частиц во вспышках? По какой причине внезапно начинается магнитное пересоединение? Астрофизики продолжают изучать вспышки, используя RHESSI и другие солнечные обсерватории, включая зонды Solar B и STEREO (Solar TErrestrial RElations Observatory — «Обсерватория солнечно-земных связей»), которые будут скоро запущены. Аппарат Solar B составит детальную карту магнитных полей Солнца, а в эксперименте STEREO два космических аппарата разместятся на орбитах, с которых можно будет получать пары трехмерных стереоизображений Солнца. Исследователи надеются, что это позволит изучить геометрию выброса корональных масс от Солнца в межпланетное пространство.

Мы стали лучше понимать механизмы, управляющие солнечными вспышками, а также использовать более сложные приборы, способные контролировать пространство вокруг Солнца и Земли. Исследователи космических штормов стремятся приблизить то время, когда прогнозы космической погоды станут такими же привычными и надежными, как метеорологические сводки.

Дополнительная литература:
1) Magnetic Reconnection. Eric Priest and Terry Forbes. Cambridge University Press, 2000.
2) Evidence for Magnetic Reconnection in Three Homologous Solar Flares Observed by RHESSI. Linhui Sui, Gordon D. Holman and Brian R. Dennis in Astrophysical Journal, Vol. 612, pages 546–556; September 1, 2004.
3) Multiwavelength Analysis of a Solar Flare on 2002 April 15. Linhui Sui, Gordon D. Holman, Stephen M. White and Jie Zhang in Astrophysical Journal, Vol. 633, pages 1175–1186; November 10, 2005.
4) General information about solar flares can be found at http://hesperia.gsfc.nasa.gov/sftheory/.
5) Information about the Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager can be found at RHESSI Home Page.
6) Прист Э., Форбст Т. Магнитное пересоединение. М.: Физматлит, 2005.
Сомов Б.В. Космическая электродинамика и физика Солнца. М.: МГУ, 1993.
7) Сомов Б.В. Физика солнечных вспышек // Земля и Вселенная, № 2, 2005. С. 4–13.