Зовнішню атмосферу Сонця, відому як корона, можна побачити, що простягається в космос на цьому зображенні, зробленому інструментом Metis компанії Solar Orbiter. Metis — багатохвильовий пристрій, що працює на хвилях видимого та ультрафіолетового діапазонів. Це коронограф, що означає, що він блокує яскраве сонячне світло з поверхні Сонця, залишаючи видимим слабке світло, яке розсіює частинки в короні. На цьому зображенні нечіткий червоний диск представляє корону, тоді як білий диск є маскою для стиснення розміру зображення, щоб зменшити кількість непотрібних даних, пов’язаних із низхідним каналом зв’язку. Автор зображення: ESA та NASA/Solar Orbiter/команда METIS; Доктор.. Тілоні та ін. (2023)
Космічне вирівнювання та кілька вправ космічного корабля забезпечили новаторські вимірювання, які допомагають вирішити 65-річну космічну таємницю про те, чому атмосфера Сонця нагрівається.
Атмосферу Сонця називають короною. Він складається з електрично зарядженого газу, відомого як плазма Його температура становить близько мільйона градусів за Цельсієм.
Його температура завжди залишається загадкою, оскільки температура поверхні Сонця становить лише близько 6000 градусів за Цельсієм. Корона повинна бути холоднішою за поверхню, тому що енергія Сонця надходить від ядерної печі в її ядрі, і все, природно, стає холодніше, чим далі від джерела тепла. Однак корона більш ніж у 150 разів гарячіша за поверхню.
Має бути інший спосіб передачі енергії плазмі, але який?
Теорії та проблеми розслідування
Давно припускали, що турбулентність в сонячній атмосфері може призвести до значного нагрівання плазми в короні. Але коли справа доходить до дослідження цього явища, сонячні фізики стикаються з практичною проблемою: неможливо зібрати всі необхідні дані за допомогою лише одного космічного корабля.
Є два способи дослідження Сонця: дистанційне зондування та вимірювання на місці. При дистанційному зондуванні космічний корабель розміщується на певній відстані, а камери використовуються для спостереження за Сонцем і його атмосферою на різних довжинах хвиль. Для вимірювань на місці космічний корабель пролітає через область, яку він хоче дослідити, і проводить вимірювання частинок і магнітних полів у цій частині космосу.
Обидва підходи мають свої переваги. Дистанційне зондування показує масштабні результати, але не деталі процесів, що відбуваються в плазмі. Тим часом вимірювання на місці дають дуже конкретну інформацію про маломасштабні процеси в плазмі, але не показують, як це впливає на великі масштаби.
Подвійне розслідування в космічному кораблі
Щоб отримати повну картину, потрібні два космічні апарати. І це саме те, що зараз є у геліофізиків у вигляді космічного корабля Solar Orbiter, який пілотує Європейське космічне агентство, і NASA Parker Solar Probe. Solar Orbiter розроблено для того, щоб наближатися до Сонця якомога ближче й при цьому виконувати дистанційне зондування, а також вимірювання на місці. Сонячний зонд Parker здебільшого ігнорує дистанційне зондування самого Сонця, щоб підібратися ближче для проведення вимірювань на місці.
Але щоб повною мірою скористатися перевагами їхнього додаткового підходу, сонячний зонд Parker повинен бути в полі зору одного з інструментів Solar Orbiter. Таким чином Solar Orbiter зміг зафіксувати масштабні наслідки того, що вимірював Parker Solar Probe на місці.
Solar Orbiter ESA є одним із двох інтегрованих космічних кораблів, які вивчають Сонце на близькій відстані: він приєднується до сонячного зонда NASA Parker, який уже брав участь у його місії. Джерело: Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Сонячний зонд Parker: NASA/Johns Hopkins APL
Астрофізична координація
Даніеле Теллоні, дослідник Італійського національного інституту астрофізики (INAF) в Астрофізичній обсерваторії в Турині, є частиною команди, що стоїть за інструментом Metis Solar Orbiter. Метис — це коронограф, який блокує світло від поверхні Сонця та робить знімки корони. Це ідеальний інструмент для широкомасштабних вимірювань, тому Даніель почав шукати моменти, коли сонячний зонд Parker вирівнявся.
Було встановлено, що 1 червня 2022 року два космічні кораблі будуть у правильній орбітальній конфігурації – приблизно. По суті, Solar Orbiter дивитиметься на Сонце, а Parker Solar Probe буде осторонь, дуже близько, але поза полем зору інструменту METS.
Коли Даніель подивився на проблему, він зрозумів, що все, що потрібно, щоб освітлити Parker Solar Orbiter, — це невелика вправа з Solar Orbiter: поворот на 45 градусів, а потім трохи направлення його від Сонця.
Але коли кожен маневр космічної місії ретельно планується заздалегідь, а самі космічні кораблі сконструйовані таким чином, щоб вказувати лише в дуже конкретних напрямках, особливо під час страшної сонячної спеки, було неочевидно, що команда з експлуатації космічного корабля санкціонує такий маневр. . відхилення. Однак коли всі зрозуміли потенційну наукову віддачу, рішення було однозначним «так».
Місія ESA Solar Orbiter зіткнеться з Сонцем з орбіти Меркурія на його найближчому зближенні. Джерело: ESA/ATG medialab
Хак нотатки
Продовжувалося керування нахилом і зміщенням; Сонячний зонд Parker Solar Probe потрапив у поле зору, і разом космічний корабель виконував перші в історії одночасні вимірювання великомасштабного складу сонячної корони та мікрофізичних властивостей плазми.
«Ця робота є результатом внесків багатьох людей», — каже Даніель, який керував аналізом наборів даних. Працюючи разом, вони змогли зробити перше спільне спостереження та оцінку на місці швидкості нагріву корони.
«Можливість використовувати як Solar Orbiter, так і Parker Solar Probe відкрила цілий новий вимір у цьому дослідженні», — каже Гарі Занк з Університету Алабами в Хантсвіллі, США, і співавтор опублікованої статті.
Порівнюючи нещодавно виміряну швидкість з теоретичними прогнозами, зробленими фізиками-сонцями протягом багатьох років, Даніель показав, що фізики-сонці були приблизно праві у своїй ідентифікації турбулентності як засобу передачі енергії.
Концепція художника космічного корабля Parker Solar Probe, що наближається до Сонця. Автор зображення: NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben
Конкретний спосіб, у який розлад це робить, нічим не відрізняється від того, що відбувається, коли ви розмішуєте свою ранкову чашку кави. Стимулюючи випадкові рухи рідини, газу чи рідини, енергія передається до все менших масштабів, що завершується перетворенням енергії на тепло. У випадку сонячної корони рідина також намагнічена, і, таким чином, накопичена магнітна енергія також доступна для перетворення в тепло.
Така передача магнітної енергії та кінетичної енергії від більших масштабів до менших є суттю турбулентності. У найдрібніших масштабах це дозволяє флуктуаціям нарешті взаємодіяти з окремими частинками, переважно протонами, і нагрівати їх.
Висновки та наслідки
Потрібна ще багато роботи, перш ніж ми зможемо сказати, що проблема сонячного нагрівання вирішена, але тепер, завдяки роботі Деніела, фізики-сонці змогли зробити перше вимірювання цього процесу.
“Це перша наукова робота. Ця робота являє собою важливий крок вперед у вирішенні проблеми коронального нагрівання”, – говорить Даніель Мюллер, науковий співробітник проекту.
Solar Orbiter — космічна місія міжнародного співробітництва між ESA та ESA НАСАяким керує Європейське космічне агентство.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
