Астрономы обнаружили Великую магнитную границу Солнца на расстоянии 0,3 а.е.

Фото из открытых источников

В Солнечной системе существует гигантская рябь из заряженных частиц, которая на самом деле является самой большой структурой в нашей Солнечной системе. Известная как гелиосферный токовый слой (ГТС), она отмечает место, где Солнце меняет местами свои магнитные северный и южный полюса, и растёт непосредственно из гигантских светящихся петель плазмы на своей поверхности, называемых шлемовидными стримерами. 

До сих пор её исследования проводились только вблизи Земли с использованием космических приборов, таких как SoHo и Wind. Но теперь новая статья Кейичи Огасавары из Юго-западного исследовательского института (SwRI) и его команды, использовавших совместную миссию ESA/NASA Solar Orbiter, позволила запечатлеть ГТС на расстоянии всего лишь около ⅓ от Земли — до того, как взаимодействие с межзвездным пространством и солнечным ветром изменит её. Другими словами, эта статья представляет собой наиболее чёткое из когда-либо полученных изображений того, из чего на самом деле состоит самая большая когерентная структура Солнечной системы.

13 апреля 2023 года космический аппарат Solar Orbiter пересек часть ГКС на расстоянии 0,3 астрономических единиц, при этом все его приборы находились в состоянии повышенной готовности. В данной статье особо отмечается ключевая роль датчика тяжелых ионов (SWA-HIS) в сборе данных о частицах, составляющих ГКС. И то, что он увидел, было не просто плоской магнитной линией, а скорее многослойной магистралью, заполненной магнитными аномалиями и изменяющимся давлением плазмы.

Одно из главных открытий было связано с электронами. Незадолго до того, как космический аппарат достиг основной части ГКС, он столкнулся с областью, где быстрые пучки электронов (известные как штрали) внезапно остановились. Но протоны в солнечном ветре также, по-видимому, двигались примерно на 50 км/с быстрее. Эти две особенности заставили исследователей предположить, что эта область служит очагом магнитной пересоединения — местом, где линии магнитного поля Солнца резко обрываются и испускают вспышки плазмы.

Несмотря на масштабные изменения магнитного поля в ГКС, соотношение тяжелых ионов углерода и кислорода (то есть различные зарядовые состояния конкретного элемента) оставалось удивительно стабильным. Эти ионные вариации возникают вблизи Солнца, и когда ионы выталкиваются в Солнечную систему солнечным ветром, они в конечном итоге достигают «высоты замерзания», примерно в 1-2 раза превышающей радиус Солнца. В этот момент соотношение ионов фиксируется, поскольку атомы больше не могут легко захватывать или терять электроны. Космический аппарат Solar Orbiter обнаружил, что, несмотря на магнитный хаос, происходящий в ГКС, он по-прежнему не влияет на способность этих атомов захватывать или терять электроны, что, в свою очередь, позволяет исследователям отслеживать эти соотношения вплоть до места их образования до достижения высоты замерзания.

Даже при стабильном ионном соотношении отдельных элементов наблюдались заметные изменения концентраций различных элементов. В частности, исследователи отметили резкое падение отношения железа к кислороду (Fe/O). Солнечный ветер обычно поглощает элементы с низким первым потенциалом ионизации (ППИ), показателем того, сколько энергии необходимо для отрыва электрона от нейтрального атома. Железо — один из наиболее распространенных примеров. Однако это также означает, что солнечный ветер игнорирует кислород, поскольку у него очень высокий ППИ.

По мере приближения Solar Orbiter к центру ГКС (гигантской магнитной системы) наблюдалось резкое падение отношения Fe/O. В конце концов, оно стабилизировалось на значении, очень похожем на то, что наблюдается в фотосфере Земли, а не на типичный солнечный ветер. Исследователи полагают, что это связано с силой, которая может показаться неожиданной при обсуждении гигантских магнитных структур в космосе — гравитацией. Тяжелые ионы, такие как железо, надолго оказываются захваченными в гигантских замкнутых магнитных петлях вблизи Солнца, в результате чего само железо опускается к Солнцу, прежде чем удерживающая его плазма, наконец, высвобождается в космос.

В другой части исследования изучалась температура кислорода по сравнению с протонами в ГЦС. Кислород еще не успел достичь температурного равновесия с окружающими его протонами на расстоянии 0,3 а.е., поэтому измерения в этой точке имеют неоценимое значение для понимания того, что с ним происходит во время его путешествия по Солнечной системе. Поскольку кислород обычно примерно в 16 раз тяжелее протона, это приводит к соотношению в точке, известной как предел сверхмассовой пропорциональности.

Кислород неоднократно подвергался скачкам температуры выше этого предела на протяжении всего ГКС. Интересно, что эти же скачки температуры положительно коррелировали с увеличением отношения зарядов O7+ / O6+, но также отрицательно коррелировали с отношением зарядов углерода. Ученые считают, что этот избирательный нагрев кислорода обусловлен явлением, называемым альфвеновскими циклотронными волнами, которые, по их мнению, передают свою энергию определенным ионам (таким как кислород) перпендикулярно магнитному полю, в то время как альфа-частицы поглощают энергию, которая в противном случае была бы захвачена атомами углерода, по сути, лишая их повышения температуры.

Это целая куча разнообразных открытий для одного короткого путешествия через массивное магнитное поле. Такие визиты редки, но космический аппарат Solar Orbiter еще не завершил свою миссию, как и его «родственник» Parker Solar Probe, также посещающий Солнце. По мере сбора все большего количества данных ближе к Солнцу мы начнем получать еще более глубокое понимание того, насколько сложна природа Солнца, и, будем надеяться, как эта сложность влияет на жизнь здесь, на Земле.