Температура видимой поверхности Солнца составляет около 5500 градусов Цельсия, однако его внешняя атмосфера — корона — может нагреваться более чем до миллиона градусов. Китайские исследователи воспроизвели в лаборатории физический процесс, который может объяснить одну из причин этого необычного явления.Результаты работы опубликованы в научном журнале Physical Review Letters, передает МойГород.
Почему солнечная корона горячее поверхности
Обычно чем дальше от источника тепла, тем слабее ощущается его нагрев. Однако на Солнце наблюдается противоположная ситуация: его внешняя атмосфера значительно горячее видимой поверхности. Учёные пытаются объяснить этот феномен уже несколько десятилетий.
Согласно одной из гипотез, корону нагревают многочисленные небольшие выбросы энергии, известные как нановспышки. Каждая из них выделяет относительно мало энергии, но их совокупное воздействие может поддерживать экстремальную температуру солнечной атмосферы.
Возможный механизм связан с магнитными полями. Солнце состоит из плазмы — вещества, содержащего электрически заряженные частицы. Магнитные поля внутри неё постоянно меняют конфигурацию. Когда области с противоположно направленными полями сближаются, происходит магнитное пересоединение: магнитные связи перестраиваются, а накопленная энергия высвобождается и нагревает окружающие частицы.
Однако оставалось неясным, какие процессы могут сближать магнитные поля и запускать такие небольшие выбросы энергии.
Как учёные воспроизвели солнечные процессы в лаборатории
Чтобы разобраться в механизме, исследователи из Китайского института атомной энергии и Пекинского педагогического университета провели эксперимент на лазерной установке «Шэнгуан-2» в Шанхае.
Физики направили четыре частично перекрывающихся лазерных луча на пластиковую мишень с мелкими волнообразными неровностями. Импульсы длились всего миллиардную долю секунды, но за это время часть материала превратилась в плазму.
Затем плазма начала расширяться в окружающую среду с гораздо меньшей плотностью. На границе двух сред небольшие возмущения стали увеличиваться, формируя вытянутые выступы, напоминающие пальцы, и структуры грибовидной формы.
Это явление известно как неустойчивость Рэлея — Тейлора. Она возникает, когда граница между средами разной плотности становится нестабильной, из-за чего небольшие возмущения начинают быстро расти.
Именно эти структуры сыграли ключевую роль в эксперименте. Расширяющаяся плазма создавала вокруг вытянутых выступов магнитные поля, причём у соседних структур они имели противоположные направления.
Компьютерное моделирование показало, что по мере роста выступы сближают магнитные поля, создавая условия для магнитного пересоединения. Оно сопровождается высвобождением энергии и дополнительным нагревом плазмы.
Температура электронов оказалась почти вдвое выше
Чтобы проверить значение неровностей поверхности, исследователи повторили эксперимент с гладкой пластиковой мишенью. В этом случае плазма расширялась более равномерно, а характерные вытянутые структуры не формировались.
Разница в температуре оказалась существенной. Анализ рентгеновского излучения показал, что при использовании неровной мишени пиковая температура электронов достигала примерно 820 тысяч градусов Цельсия. В контрольном эксперименте с гладкой поверхностью она была почти вдвое ниже.
Дополнительное компьютерное моделирование подтвердило роль магнитных полей. Когда исследователи исключили возможность их образования, дополнительный нагрев практически исчез. Это указывает на то, что повышение температуры связано с магнитными взаимодействиями, а не только с движением плазмы.
Как эксперимент связан с настоящим Солнцем
По мнению учёных, похожие процессы могут происходить в солнечной короне во время так называемого коронального дождя. Это явление возникает, когда относительно холодная и плотная плазма опускается обратно к Солнцу через окружающую горячую атмосферу, двигаясь вдоль линий магнитного поля.
На границе между падающей плазмой и окружающей средой могут формироваться неустойчивости, подобные тем, которые исследователям удалось воспроизвести в лаборатории. Возникающие структуры способны сближать противоположно направленные магнитные поля, провоцируя небольшие вспышки и выделение тепла.
Главное преимущество такого подхода заключается в возможности изучать процессы, которые на самом Солнце слишком малы и быстры для детального наблюдения. В лаборатории физики могут контролировать начальные условия, отслеживать сближение магнитных полей и оценивать эффективность преобразования их энергии в тепло.
Почему загадка нагрева Солнца пока не решена
Исследователи подчёркивают, что лабораторный эксперимент не воспроизводит солнечные условия полностью. Плотность плазмы в установке значительно выше, чем в короне, а процессы протекают гораздо быстрее, чем предполагаемые нановспышки на Солнце. Кроме того, эксперимент не охватывает весь механизм накопления магнитной энергии в солнечной атмосфере.
Чтобы оценить применимость результатов, учёные сопоставили основные физические соотношения в лабораторной системе и солнечной короне. Это помогло выявить общие закономерности, но не доказало, что обнаруженный механизм играет определяющую роль в нагреве Солнца.
Таким образом, многолетняя загадка пока остаётся нерешённой. Эксперимент продемонстрировал, как движение плазмы может сближать магнитные поля, высвобождать накопленную энергию и вызывать сильный локальный нагрев. Теперь учёным предстоит выяснить, насколько часто подобные процессы происходят на Солнце и какую роль они играют в поддержании высокой температуры его короны.
