Ученые обнаружили скрытую закономерность в хаотическом магнитном поле Солнца

Фото из открытых источников

Магнитное поле солнечного ветра искажается в одну сторону на одном масштабе и в другую сторону на меньшем, и картина смещается наружу. Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

Если добавить молоко в кофе, то последующие вихри будут непредсказуемыми. Поток заряженных частиц, исходящий от Солнца, тоже турбулентный, а магнитные поля закручиваются в этом хаосе. Ученые долгое время пытались найти порядок в этих турбулентных магнитных полях.

У этого поворота есть определённая закономерность. По данным измерений, проведённых с помощью космического аппарата NASA Parker Solar Probe, поле поворачивается в одну сторону при одном размере ряби и в противоположную сторону при ряби вдвое меньшего размера.

Пара противоположных витков находится как раз там, где газ перестает вести себя как жидкость и начинает вести себя как совокупность отдельных частиц.

Анализ проводился под руководством Масатоми Иидзавы из Технического университета Брауншвейга совместно с Нобумицу Йокои из Токийского университета и коллегами из десяти стран. Среди них — Стюарт Бейл, руководитель прибора, который использовался для измерения параметров.

«Мы видим четкую структуру в спектре, несмотря на то, что турбулентность представляет собой неструктурированные движения», — сказал Иидзава.

В движущемся газе магнитное поле направлено в определённую точку, и при этом газ поворачивается. Когда пульсация проходит мимо детектора, направление поля меняется, либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки относительно направления движения газа.

Физики называют это ощущение вращения магнитной спиральностью. В больших, медленных волнах солнечного ветра с 1980-х годов это выглядит как сплошной шум. Повороты по часовой и против часовой стрелки встречались примерно в равной степени, что и представляет собой случайность.

Резкие пики вблизи мельчайшей ряби уже наблюдались ранее в данных, полученных с более ранних космических аппаратов. Проследить за движением газа было тем этапом, который никому не удавалось выполнить, поскольку в более ранних миссиях отбор проб проводился слишком медленно, чтобы зафиксировать столь быстрые колебания.

Зонд Parker Solar Probe собирает образцы достаточно быстро. Команда использовала показания своего магнитометра с конца сентября по конец ноября 2021 года, по одному часу за раз. В течение этих недель космический аппарат перемещался на расстояние от 0,1 до 0,78 расстояния между Землей и Солнцем.

Вблизи Солнца, на расстоянии, составляющем десятую часть этого расстояния, спектр содержал два пика, а не шум. Один пик имел частоту 10 колебаний в секунду и передавал вращение в одном направлении. Другой пик имел частоту 20 колебаний в секунду и передавал его в противоположном направлении.

Два пика выявили упорядоченную структуру, которую одни лишь случайные флуктуации не могли легко объяснить. Два противоположных завитка, расположенных рядом, — это то, что физики плазмы называют бигеликоидальной структурой, и до сих пор это было предсказано теорией, но редко подтверждалось данными.

Сравнивая измерения, проведенные на разных расстояниях от Солнца, исследователи обнаружили, что оба пика сместились в сторону более низких частот, что соответствует более крупным структурам. Смещение сохранялось в диапазоне от 0,1 до примерно 0,4 расстояния от Земли до Солнца.

Газ расширяется при движении, поэтому некоторый дрейф был ожидаем. Простое расширение предсказывает определенную форму графика, при этом частота будет уменьшаться пропорционально расстоянию. Измеренный дрейф, напротив, уменьшался экспоненциально, гораздо быстрее, чем это учитывается при расширении модели.

Затем исследователи проверили другое очевидное объяснение. Если бы изгибы создавались и поддерживались локальными условиями, их положение должно было бы соответствовать локальным масштабам, заданным протонами в газе.

На фоне них вершины проносились мимо, как по маслу. Группа исследователей называет такое поведение нелокальным. Результаты показывают, что изменения могут быть вызваны взаимодействием в разных масштабах, а не только локальными условиями плазмы.

Турбулентность обычно передает энергию по цепочке, от больших вихрей к малым, пока самые мелкие не превратятся в тепло. По той же цепочке вращаются крошечные вихри, наблюдаемые на поверхности Солнца.

Согласно одной из современных теорий, на границе между поведением жидкости и поведением частиц само скручивание блокирует эту лестницу и выталкивает энергию обратно на более крупные масштабы.

Накопление магнитных завихрений в масштабах, превышающих локальные масштабы протонов, — это именно то, что возникло бы в результате образования магнитного затора. Наблюдения команды соответствуют этому прогнозу, и они получены в результате измерений, а не моделирования.

Йокои заявил, что этот результат имеет значение как для физики плазмы, так и для астрофизики. Понимание этой турбулентности в конечном итоге может помочь ученым улучшить модели солнечного ветра и его влияния на магнитное поле Земли.

Примерно через половину расстояния между Землей и Солнцем эти два пика потускнели. Орбита зонда остается в пределах нескольких градусов от плоскости, общей для планет, и в этом диапазоне он постоянно пересекает токовый слой, разделяющий магнитное поле Солнца на две части.

Пересечение этого полотна может нарушить целостность структуры, или же исчезновение изображения может просто произойти в том месте, где случайно оказался космический аппарат. Один космический аппарат измеряет одну точку, поэтому регистрируемое им скручивание представляет собой срез полной трехмерной величины.

Преобразование временных параметров пульсаций в их размеры основано на предположении о скорости распространения этих пульсаций газом. Команда оценивает возможную погрешность примерно в 2,5 раза.

Никто не мог наблюдать за движением энергии. Для этого потребовались бы измерения скорости газа с той же скоростью, что и при использовании магнитных датчиков, а приборы для измерения частиц не могут сканировать газ с такой высокой скоростью в таком разреженном газе. Никто не смог зафиксировать формирование этих структур или проследить их распространение в пределах одной газовой массы.

Команда Иидзавы предполагает, что европейский аппарат Solar Orbiter, который летает выше и ниже плоскости планет, может определить, является ли это потускнение реальным явлением или случайностью одного из витков орбиты.