Микроскопические плазменные вихри на Солнце: триггер мощных солнечных вспышек

На солнечной поверхности впервые удалось детально рассмотреть крошечные завихрения плазмы, диаметр которых превышает 20 километров. Для звезды, диаметр которой составляет около 1,4 миллиона километров, такие структуры являются практически невидимыми. Существующие солнечные телескопы раньше не обладали достаточным разрешением для их наблюдения. Новые фотографические материалы вместе с компьютерным анализом указывают на то, что эти крошечные завихрения образуются по периметрам гранул и могут содействовать аккумуляции магнитной энергии, которая впоследствии освобождается во время солнечных вспышек.

Снимки были получены с помощью самого крупного в мире телескопа для наблюдения за Солнцем, оснащённого четырёхметровым зеркалом. Для того чтобы рассмотреть завихрения, требовалось разрешение приблизительно 20 километров на поверхности светила, что является почти максимальным пределом для современных наблюдательных инструментов и вычислительных методов. По степени сложности такого рода наблюдения сравнивают с попыткой различить евроцент с расстояния 180 километров.

Видимый слой Солнца именуют фотосферой. При сильном увеличении она выглядит как кипящая жидкость, заполненная многочисленными светлыми ячейками. Любая ячейка, называемая гранулой, имеет поперечный размер от 500 до 2000 километров. Совокупность гранул создаёт постоянно изменяющийся рисунок, именуемый солнечной грануляцией.

Схожесть с процессом кипения объясняется не только внешним видом. Раскалённое плазменное вещество восходит из глубинных слоёв Солнца, выходит наружу в фотосферу, охлаждается и вновь опускается в глубину. Центральные части гранул соответствуют восходящим потокам материала, а затемнённые участки между ними образуются там, где плазма движется вниз.

На полученных фотографиях по периметрам гранул стали видны тонкие кружевные структуры, которые ранее растворялись в окружающей плазме. При анализе последовательности кадров отчётливо видно, как они скручиваются и волнуют, подобно гребням волн перед обрушением. Толщина наиболее тонких полос едва доходила до 20 километров.

Численные модели воспроизвели подобное движение и помогли выявить его возможное происхождение. Завихрения, видимо, возникают вследствие неустойчивости Кельвина–Гельмгольца, широко известной в гидродинамике и физике плазмы.

Данная неустойчивость возникает на границе раздела двух потоков, передвигающихся с неодинаковой скоростью. Из-за различия в скоростях слои начинают деформироваться относительно друг друга. Небольшое нарушение на границе постепенно растёт, трансформируется в волновое движение, а потом может образовать завихрение.

Этот механизм встречается в множестве условиях. Неустойчивость Кельвина–Гельмгольца формирует волнистые паттерны в облачности, влияет на циркуляцию в водоёмах и морях, проявляется в атмосферах Юпитера и Сатурна, а также на границах магнитосфер, подвергающихся воздействию солнечного ветра. На Солнце необходимые условия образуются по краям гранул, где соседние слои плазмы смещаются с различными скоростями.

Само наличие минивихрей не явилось бы большим открытием, если бы они только перемешивали материал поверхности светила. Однако найденные образования формируются в магнитных областях и способны влиять на линии магнитного поля.

Магнитное поле Солнца можно представить как сеть линий, пронизывающих плазму и изменяющих направление с её движением. Когда вещество вращается, линии загибаются, переплетаются и скручиваются. При этом в магнитном поле накапливается энергия, аналогично пружине, которую всё туже закручивают.

Излишне сложная структура оказывается нестабильной. В какой-то момент магнитные линии разрывают старые соединения и создают новые. Специалисты называют этот процесс магнитной переконфигурацией. Часть накопленной энергии превращается в тепло, движение частиц и электромагнитное излучение.

Магнитная переконфигурация связана с множеством явлений солнечной активности, начиная от слабых выделений энергии и кончая интенсивными вспышками. К самым слабым проявлениям относятся нановспышки — кратковременные импульсы энергии, каждый из которых значительно слабее обычной вспышки. Множество подобных явлений может способствовать нагреванию верхних слоёв солнечной атмосферы.

Прежде оставалось загадкой, какие именно процессы на поверхности постоянно создают скручивание магнитных линий в мелком масштабе. Найденные вихри соответствуют одному из таких механизмов. Поскольку они возникают в магнитных зонах неоднократно, они способны систематически деформировать поле и подготавливать условия для последующей разрядки энергии.

Исследования и вычисления выявили ещё одну характеристику вихрей. Они энергично смешивают намагниченную плазму с областями, где магнитное поле ослабленно. Эта деятельность может усиливать передачу магнитного потока из фотосферы в верхние части солнечной оболочки.

Магнитный поток указывает на интенсивность поля в определённой зоне. На поверхности Солнца его распределение неоднородно: в определённых местах магнитные линии сосредоточиваются в плотные структуры, в иных остаются слабыми. Для того чтобы конфигурация поля звезды быстро трансформировалась, магнитный поток должен результативно циркулировать между уровнями и участками.

Темп данного процесса давно вызывает затруднения для теоретических моделей. Интенсивность Солнца нарастает и спадает приблизительно за 11 лет, что в астрономических масштабах является очень быстро. За один цикл варьируется численность пятен, учащаются вспышки и переформируется общая структура магнитного поля. Имеющиеся расчёты не совсем раскрывают, как магнитный поток успевает столь стремительно переходить от одного состояния к другому.

Бесчисленные микровихри могут обеспечить недостающее объяснение. Постоянно создавая возмущения в плазме у границ гранул, они позволяют магнитному полю транспортироваться вверх и перестраиваться скорее, чем предполагали предыдущие теории. Исследование не раскрывает полностью солнечный цикл, однако показывает на процесс, который раньше было невозможно прямо наблюдать и использовать в вычислениях.

Величина найденных образований достигла почти верхнего предела современной наблюдательной техники. Но именно явления масштаба нескольких десятков километров способны определять, как Солнце создаёт скручивание магнитного поля, передвигает его в верхние слои и формирует основу для излияния энергии.