Ученые обнаружили солнечную вспышку с удивительным спектральным поведением

Фото из открытых источников

19 августа 2022 года солнечные астрономы, используя солнечный телескоп имени Дэниела К. Иноуэ (DKIST) на гавайском острове Мауи, зафиксировали затухающие остатки солнечной вспышки класса C. Их наблюдения показали нечто необычное: очень сильные спектральные отпечатки линий кальция II H и водорода-эпсилона. Впервые эти две световые сигнатуры были обнаружены с такой детализацией во время спада солнечной вспышки. Согласно компьютерным моделям, эти линии оказались сильнее, чем ожидалось, и играют малоизученную роль в том, как вспышки нагревают солнечную атмосферу в местах их возникновения. Те же модели можно использовать и для изучения вспышек в других звездах.

Спектры образуются, когда свет от объекта, в данном случае Солнца, проходит через специализированный прибор, который разлагает свет на составляющие его длины волн. Свет может излучаться, поглощаться или отражаться. Солнечные вспышки всегда предоставляют интересные спектральные линии, и эта вспышка не стала исключением. В случае вспышки 19 августа свет излучался заряженными молекулами кальция II H и водорода-эпсилона. Эти два вещества находятся близко друг к другу в солнечном спектре и позволяют заглянуть в то, что происходит в солнечной хромосфере. Это сложный слой солнечной атмосферы между видимой поверхностью (фотосферой) и короной (внешней атмосферой). Эти линии поглощения указывают на наличие ионизированного кальция в атмосфере и являются ключом к хромосферной активности и силе магнитных полей в областях, где они существуют.

Изучение спектральных линий солнечных вспышек с Земли не всегда было простым делом, обычно из-за ограничений по времени работы телескопа и используемого оборудования. Благодаря своим возможностям высокого разрешения, телескоп DKIST смог их зафиксировать. Линии, обнаруженные в ходе исследований в августе 2022 года, не только удивили наблюдателей, но и выявили недостатки в их моделях солнечной физики. 

Когда научная группа под руководством Коула Тамбурри сравнила наблюдения с современными компьютерными моделями, имитирующими нагрев вспышек, они обнаружили, что их модели могут воспроизвести некоторые особенности, но не могут полностью объяснить другие. Наблюдаемые световые сигнатуры были шире и различались по яркости способами, которые модели пока не могут объяснить, особенно когда они появлялись во время спада вспышки. По-видимому, здесь действуют более сложные физические процессы, которые компьютерные модели сложной физики вспышки не совсем учитывают. Данные этих наблюдений будут использованы для улучшения моделей в будущем.

Чтобы понять неожиданность в спектрах во время спада вспышки, можно рассмотреть, как работает солнечная вспышка от начала до конца. Сначала есть предвестниковая стадия. На этом этапе локальные магнитные поля над активной областью запутываются, как скрученные резиновые ленты. На этой фазе наблюдается мягкое рентгеновское излучение. По мере того, как поля становятся все более запутанными, вспышка переходит в импульсную (взрывную) стадию. На этой стадии магнитные поля разрываются и высвобождают большое количество накопленной энергии в виде высокоэнергетических протонов, а электроны ускоряются и устремляются от Солнца. На этой стадии также наблюдается интенсивное рентгеновское излучение, гамма-лучи и радиоволны. В ответ вспышка становится ярче. В конце концов, вспышка начинает спадать, и на этой стадии затухания энергетические уровни вспышки начинают стабилизироваться, а область охлаждается. Именно этого, согласно моделям, следует ожидать ученым. Современные модели предполагают, что нагрев во время вспышки происходит либо за счет пучков высокоэнергетических частиц, либо за счет распространения тепла через солнечную атмосферу.

Первоначально команда надеялась использовать DKIST для регистрации предшествующей стадии «нарастания» этой вспышки класса C6.7. Вместо этого они зафиксировали конечную стадию, когда активность и излучение снижались. Их наблюдения показали спектральные линии для излучения кальция II H и водорода-эпсилона, которые не соответствовали ожидаемым для стадии спада вспышки. Это показало ученым, что излучение вспышки оставалось более сильным и сложным, чем они ожидали, даже когда вспышка охлаждалась и затухала.

Удивительные данные наблюдений, полученные с помощью видимого спектрополяриметра DKIST (ViSP) и широкополосного видимого имиджера, предоставили команде набор спектров с высокой частотой и высоким разрешением, а также обеспечили одновременное получение изображений высокого разрешения, необходимых для выявления физической структуры самой вспышки. «Как наземные наблюдения высокого разрешения, так и современное моделирование вспышек невероятно сложны», — сказал Тамбурри, отметив, что для проведения наблюдений и анализа данных потребовалась большая группа ученых. «Объединение опыта многих ученых из NSO, работающих в обоих режимах, сделало эту работу возможной. Сотрудничество такого типа имеет важное значение для решения оставшихся вопросов в физике вспышек с использованием как современных наблюдений, так и моделей».

Члены команды сравнили данные об излучении, полученные с помощью прибора DKIST, с современными теоретическими моделями солнечных вспышек, используя вычислительную модель RADYN. Она моделирует процесс нагрева солнечной атмосферы в результате вспышечной активности. Оказалось, что данные согласуются с некоторыми частями моделей, но не со всеми. Например, физические модели фактически согласуются с данными относительно формы и ширины линии водорода-эпсилона. Однако модели не совсем точно соответствуют форме линии кальция II H. Световые характеристики сильно отличаются от того, что предполагают модели. Это оставляет большой пробел в объяснении того, как вспышки нагревают солнечную атмосферу.

Исследователи из NSO, проводившие это исследование, утверждают, что для улучшения этих моделей потребуется переосмысление механизма нагрева атмосферы солнечными вспышками. Более подробные наблюдения за солнечными вспышками с использованием прибора DKIST должны помочь укрепить существующие модели солнечного нагрева атмосферы. В частности, они должны иметь возможность использовать детальные наблюдения за импульсной (взрывной) и охлаждающей фазами для проверки новых идей о поведении вспышек на всех этапах их активности.