Разгадайте 65-летнюю космическую загадку

На этом изображении, полученном инструментом Метис космического корабля Solar Orbiter, можно увидеть внешнюю атмосферу Солнца, известную как корона. «Метис» — это многоволновое устройство, работающее в видимом и ультрафиолетовом диапазоне волн. Это коронограф, что означает, что он блокирует яркий солнечный свет с поверхности Солнца, оставляя видимым слабый свет, рассеивающий частицы в короне. На этом изображении нечеткий красный диск представляет собой корону, а белый диск представляет собой маску для сжатия размера изображения, чтобы уменьшить объем ненужных данных, связанных с нисходящей линией связи. Изображение предоставлено: ЕКА и команда НАСА/Solar Orbiter/METIS; Доктор.. Тилони и др. (2023)

Космическое выравнивание и несколько упражнений космических кораблей позволили провести революционные измерения, которые помогают разгадать 65-летнюю космическую загадку того, почему солнечная атмосфера нагревается.

Атмосфера Солнца называется короной. Он состоит из электрически заряженного газа, известного как плазма Его температура около миллиона градусов. Цельсия.

Его температура всегда остается загадкой, поскольку температура поверхности Солнца составляет всего около 6000 градусов по Цельсию. Корона должна быть холоднее поверхности, потому что энергия Солнца исходит из ядерной печи в ее ядре, и, естественно, чем дальше от источника тепла, тем прохладнее становится. Однако корона более чем в 150 раз горячее поверхности.

Должен быть другой способ передачи энергии плазме, но какой?

Теории и проблемы расследования

Давно подозревалось, что турбулентность в солнечной атмосфере может привести к значительному нагреву плазмы в короне. Но когда дело доходит до исследования этого явления, физики Солнца сталкиваются с практической проблемой: невозможно собрать все необходимые данные с помощью всего лишь одного космического корабля.

Есть два способа исследования Солнца: дистанционное зондирование и измерения на месте. При дистанционном зондировании космический корабль располагается на определенном расстоянии, а камеры используются для наблюдения за Солнцем и его атмосферой на разных длинах волн. Для измерений на месте космический корабль пролетает через область, которую он хочет исследовать, и проводит измерения частиц и магнитных полей в этой части космоса.

Оба подхода имеют свои преимущества. Дистанционное зондирование показывает масштабные результаты, но не детали процессов, происходящих в плазме. Между тем, измерения in situ дают весьма конкретную информацию о мелкомасштабных процессах в плазме, но не показывают, как это влияет на крупномасштабные.

Двойное расследование на космическом корабле

Чтобы получить полную картину, необходимы два космических корабля. И это именно то, что гелиофизики в настоящее время имеют в виде космического корабля Solar Orbiter, пилотируемого Европейским космическим агентством, и солнечного зонда Parker НАСА. Solar Orbiter спроектирован так, чтобы приближаться к Солнцу как можно ближе и при этом выполнять дистанционное зондирование, а также измерения на месте. Солнечный зонд «Паркер» в значительной степени игнорирует данные дистанционного зондирования самого Солнца, чтобы приблизиться к нему и провести измерения на месте.

Но чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами их взаимодополняющего подхода, солнечный зонд Паркер должен находиться в поле зрения одного из инструментов Солнечного орбитального аппарата. Таким образом, Solar Orbiter смог зафиксировать масштабные последствия того, что солнечный зонд Parker измерял на месте.

Solar Orbiter ЕКА — один из двух интегрированных космических аппаратов, изучающих Солнце с близкого расстояния: он присоединяется к солнечному зонду НАСА «Паркер», который уже участвовал в его миссии. Источник: Solar Orbiter: медиалаборатория ЕКА/ATG; Солнечный зонд «Паркер»: NASA/Johns Hopkins APL

Астрофизическая координация

Даниэле Теллони, исследователь Итальянского национального института астрофизики (INAF) при Астрофизической обсерватории в Турине, является частью команды, создающей инструмент Metis на солнечном орбитальном аппарате. Метис — это коронограф, который блокирует свет от поверхности Солнца и фотографирует корону. Это идеальный инструмент для крупномасштабных измерений, поэтому Даниэле начал искать моменты, когда солнечный зонд Паркер будет работать.

Выяснилось, что 1 июня 2022 года два космических корабля будут находиться в правильной орбитальной конфигурации – примерно. По сути, Solar Orbiter будет смотреть на Солнце, а солнечный зонд Parker будет находиться в стороне, очень близко, но вне поля зрения прибора METS.

Когда Даниэле взглянул на проблему, он понял, что все, что нужно, чтобы осветить солнечный орбитальный аппарат Паркер, — это небольшое упражнение с Солнечным орбитальным аппаратом: разворот на 45 градусов, а затем наведение его немного в сторону от Солнца.

Но когда каждый маневр космической миссии тщательно планируется заранее и когда сами космические корабли спроектированы так, чтобы указывать только в очень определенных направлениях, особенно когда речь идет о пугающем солнечном жаре, не было очевидно, что команда эксплуатации космического корабля санкционирует такой маневр. . отклонение. Однако, как только всем стало ясно о потенциальной научной отдаче, решением было однозначное «да».

Миссия ЕКА Solar Orbiter встретит Солнце на орбите Меркурия при его максимальном приближении. Источник: медиалаборатория ЕКА/ATG.

Заметки по взлому

Рулевое управление по крену и смещению продолжалось; Солнечный зонд «Паркер» вошел в поле зрения, и вместе космический корабль произвел первые в истории одновременные измерения крупномасштабного состава солнечной короны и микрофизических свойств плазмы.

«Эта работа является результатом вклада многих людей», — говорит Даниэле, который руководил анализом наборов данных. Работая вместе, они смогли провести первые совместные наблюдения и оценку скорости нагрева короны на месте.

«Возможность использовать как Solar Orbiter, так и Solar Probe открыла совершенно новое измерение в этом исследовании», — говорит Гэри Занк из Университета Алабамы в Хантсвилле, США, и соавтор полученной статьи.

Сравнивая недавно измеренную скорость с теоретическими предсказаниями, сделанными физиками Солнца на протяжении многих лет, Даниэле показал, что физики Солнца были примерно правы в своем определении турбулентности как средства передачи энергии.

Художественная концепция космического корабля Parker Solar Probe, приближающегося к Солнцу. Изображение предоставлено: НАСА/Johns Hopkins APL/Стив Гриббен

Конкретный способ проявления расстройства ничем не отличается от того, что происходит, когда вы размешиваете утреннюю чашку кофе. Стимулируя хаотические движения жидкости, будь то газ или жидкость, энергия передается на все более мелкие масштабы, что завершается преобразованием энергии в тепло. В случае солнечной короны жидкость также намагничена, и, таким образом, накопленная магнитная энергия также доступна для преобразования в тепло.

Такая передача магнитной энергии и кинетической энергии от больших масштабов к меньшим и является сутью турбулентности. В мельчайших масштабах это позволяет флуктуациям в конечном итоге взаимодействовать с отдельными частицами, в основном протонами, и нагревать их.

Выводы и последствия

Требуется гораздо больше работы, прежде чем мы сможем сказать, что проблема солнечного нагрева решена, но теперь, благодаря работе Дэниела, физики Солнца смогли провести первое измерение этого процесса.

«Это первое научное достижение. Эта работа представляет собой важный шаг вперед в решении проблемы нагрева короны», — говорит Даниэль Мюллер, научный сотрудник проекта.

Solar Orbiter — космическая миссия международного сотрудничества ЕКА и ЕКА. НАСАуправляемый Европейским космическим агентством.