Российские учёные открыли новый класс горячих плазменных структур

Внеатмосферные (космические) исследования Солнца ведутся более полувека. По инициативе С. Л. Мандельштама уже на втором искусственном спутнике Земли появился прибор, который регистрировал рентгеновское коротковолновое излучение. Аппаратура, созданная специалистами лаборатории рентгеновской астрономии Солнца Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), позволила впервые получить монохроматические изображения всего солнечного диска и прилегающей короны в рентгеновском диапазоне с высоким пространственным и временным разрешением.

В результате был открыт новый класс горячих плазменных структур, размеры которых варьируются от десяти до сотен тысяч километров, а температура превышает 5 млн градусов. Последний спутник проекта «КОРОНАС» «рассмотрел» практически неизученную область — нижнюю корону Солнца.

Ультрафиолетовый снимок Солнца: красные участки почти «холодны» — около 60 тыс. кельвинов; синие и зелёные погорячее — больше 1 млн К. (30 марта 2010 года; фото NASA / Solar Dynamics Observatory.)

Внешний пограничный слой Солнца — фотосфера — имеет температуру около 6 тыс. градусов Цельсия. С удалением от поверхности температура падает приблизительно до 4 тыс. градусов, а затем неожиданно возрастает. В тонком (по солнечным масштабам) «переходном слое», где плотность плазмы уменьшается на несколько порядков, температура достигает 1,5 млн градусов. «Почему корона горячая, мы не знаем. В магнитном поле разных магнитоплазменных структур запасено огромное количество энергии. Объяснение механизма выделения этой энергии и преобразования её в другие формы (в ускоренные частицы, потоки плазмы, тепло, электромагнитное излучение) — это общая фундаментальная задача астрофизики», — поясняет ведущий научный сотрудник отдела спектроскопии ФИАНа, доктор физико-математических наук Александр Урнов.

Ответов на многие принципиальные для решения фундаментальных проблем вопросы, связанные как со строением, так и с «жизнедеятельностью» короны, пока нет. Одна из причин — недостаточность необходимых для построения моделей данных о физических характеристиках магнитоплазменных образований (таких как температурный состав, электронная плотность и др.). Для понимания механизмов нагрева короны и явлений солнечной активности требуется заметное увеличение пространственного и временного разрешения исследовательской аппаратуры. Сегодня мы можем видеть объекты величиной порядка секунды дуги в угловой мере, что в линейных размерах на Солнце составляет около тысячи километров. Необходимо добиться на порядок большего разрешения.

Лаборатория рентгеновской астрономии Солнца изучает коротковолновое излучение солнечной короны с 1958 года. Метод «изображающей спектроскопии» (imaging spectroscopy), применяемый при исследованиях светила, используется уже более 20 лет для регистрации изображений в узких спектральных интервалах, выделенных специальными фильтрами. Но в этих интервалах оказывается обычно не одна, а несколько линий, формирующихся при разных температурах. Определённый вклад даёт и так называемый непрерывный спектр. Всё это существенно затрудняет определение температурного состава корональной плазмы. Сотрудники лаборатории создали уникальный прибор — спектрогелиограф, дающий монохроматическое изображение всего диска Солнца и нижней короны в рентгеновской линии и 160 линиях вакуумного ультрафиолета. Получение такого количества спектральной информации (дополнительно к пространственно-временной) принципиально важно для создания плазменных моделей явлений солнечной активности, помогающих понять механизм их образования и развития.

Три запуска в рамках программы «КОРОНАС», несмотря на короткую жизнь спутников, принесли исключительно ценную информацию. Впервые получены серии рентгеновских «фотографий» всего Солнца в монохроматической линии с высоким пространственным и временным разрешением. Монохроматические изображения в рентгене ещё никто не регистрировал, получали только в ультрафиолете. Но и в ультрафиолете была придумана и реализована своя оригинальная схема. Чтобы линии не перекрывались (из-за большого углового размера Солнца), была разработана конструкция, сочетающая в себе дифракционную решётку и многослойное рентгеновское зеркало. Изображение Солнца сжимается в одном направлении — дисперсии (разложения в спектр), и вместо диска получается «огурец». В этом направлении уменьшается пространственное разрешение, зато спектрограммы не перекрываются. Это позволяет получить изображения одной и той же активной области Солнца в десятках линий, характеризующихся различными температурами свечения.

И ещё один ультрафиолетовый снимок светила: солнечные вспышки и выброс корональной плазмы. (12 февраля 2010 года; фото NASA.)

«На последнем спутнике «КОРОНАС-Фотон» были получены изображения в разных монохроматических лучах не только с высоким пространственным, но и с рекордным временным разрешением, — рассказывает Александр Урнов. — Это позволило увидеть динамику плазменных структур в практически неизученной области — нижней короне. Причём не в рассеянном свете, а в собственном ультрафиолетовом излучении. Изображения в видимом (рассеянном) свете дальней короны, в которых наблюдаются так называемые корональные выбросы масс (КВМ), чья природа остаётся во многом загадочной, с 1995 года регулярно ведёт станция SOHO (совместный проект ЕКА и НАСА). Но при этом приходится делать искусственную луну и закрывать не только диск Солнца, но и нижнюю корону, чтобы приборы не «ослепли» от излучения солнечного диска, которое в десятки и более миллионов раз превышает рассеянный свет. То есть наблюдать можно лишь то, что происходит на расстоянии двух радиусов от светила. Именно эту, закрытую искусственной луной область сумел рассмотреть наш новый прибор — коронограф. Он обладает огромным динамическим диапазоном по измеряемой интенсивности, а это позволяет закрывать только солнечный диск и наблюдать всю корону от границы диска. В результате были получены совершенно уникальные экспериментальные данные».

На основе данных экспериментов СПИРИТ и ТЕСИС в ФИАНе разработаны новые методы количественной диагностики плазмы, с помощью которых была определена пространственно-временная динамика характеристик горячих плазменных структур и выполнена их классификация. Благодаря полученной информации о физических характеристиках этих структур удалось построить плазменную модель явления — так называемого паука, или крупномасштабного долгоживущего горячего плазменного образования, впервые обнаруженного в монохроматических рентгеновских изображениях в эксперименте СПИРИТ.

Изображающая спектроскопия всего Солнца и части прилегающей атмосферы позволяет изучать не только локальные, но и глобальные процессы, наблюдать за активностью Солнца, отслеживать возникновение вспышек и корональных выбросов. В настоящее время обсуждается совместный с НАСА проект запуска исследовательской космической станции.

Подготовлено по материалам Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.

Каждый день слушайте итоговый подкаст Свободного Радио «Компьюлента»!

blog comments powered by Disqus