Тайна звёздной короны. Найден ответ на одну из главных загадок Солнца

Во время полного солнечного затмения корона нашей звезды выглядит как жемчужное сияние вокруг чёрного диска Луны. Она кажется невесомой, почти призрачной. Но за величественной красотой скрывается парадокс, над которым давно ломают голову учёные. Дело в том, что эта тонкая оболочка Солнца в сотни раз горячее его поверхности. Физики десятилетиями не могли понять, откуда берётся энергия для такой температуры.

И вот, возможно, ответ найден. Причём получен он экспериментальным путём, в лаборатории.

В чём проблема нагрева?

Солнце — это шар из плазмы, раскалённого газа, в котором частицы несут электрический заряд. Через эту плазму проходят магнитные поля. И именно они, а не только термоядерные реакции в ядре, определяют, что происходит на поверхности и в атмосфере звезды.

Внешний слой атмосферы Солнца — это и есть корона. Она простирается на миллионы километров и видна невооружённым глазом во время полного затмения. В обычные дни её «съедает» яркость фотосферы — видимой поверхности светила.

Теперь любопытные цифры. Поверхность Солнца имеет температуру около 5500°C. А его внешняя атмосфера, корона, — больше миллиона! С какой стати? Это как если бы воздух вокруг костра оказался в 200 раз горячее самого пламени. Логика подсказывает: чем дальше от источника огня, тем холоднее. Но с Солнцем всё наоборот. Этот парадокс называют «проблемой нагрева короны».

Как пытались объяснить?

Одна из предлагавшихся гипотез — нановспышки. Это крошечные вспышки, которые происходят на Солнце постоянно. Каждая из них слишком слаба, чтобы её заметить по отдельности. Но вместе они могут выделять достаточно энергии, чтобы поддерживать температуру короны.

Другая версия — магнитное пересоединение. Когда магнитные поля, направленные в противоположные стороны, встречаются и перестраиваются, накопленная в них энергия высвобождается в виде тепла. Это может нагревать ближайшие области солнечной атмосферы и разгонять заряженные частицы до огромных скоростей.

Что сделали исследователи?

Китайские учёные решили проверить, как именно эти поля могут встречаться и запускать процесс магнитного пересоединения. Группа специалистов под руководством Вэй Суня из Китайского института атомной энергии и Юнли Пина из Пекинского педагогического университета провела эксперимент на лазерной установке «Шэньгуан-II» в Шанхае.

Исследователи взяли пластиковую мишень с мелким рельефом на поверхности и выстрелили в неё четырьмя перекрывающимися лазерными лучами. Импульсы длились миллиардную долю секунды и превращали материал мишени в плазму — состояние вещества, в котором частицы несут электрический заряд.

Плазма расширялась в окружающий воздух, который был гораздо менее плотным, чем она. Когда она замедлялась, неровности на границе мишени разрастались в структуры, похожие на пальцы и грибы. Это явление известно как неустойчивость Рэлея — Тейлора. Оно знакомо физикам по земным процессам: так ведёт себя, например, вода, падающая на менее плотный слой, или дым, поднимающийся в воздухе.

Главное в том, что плазма вокруг этих «пальцев» создавала собственные магнитные поля, причём у соседних структур они были направлены в противоположные стороны. Компьютерное моделирование показало: расширяющиеся «пальцы» сталкивали эти поля друг с другом. И этот процесс нагревал плазму — запасённая энергия превращалась в тепло.

Для сравнения учёные повторили эксперимент с гладкой пластиковой мишенью. Никаких «пальцев» и «грибов» на ней не возникло. Проанализировав излучение плазмы, исследователи оценили её температуру. Она оказалась почти вдвое ниже, чем у рельефной мишени.

Дополнительное компьютерное моделирование, в котором искусственно «отключали» генерацию магнитных полей, показало, что добавочный нагрев в значительной степени исчезает. Это прямо указывает на то, что именно магнитное пересоединение является источником дополнительного тепла, а не трение или прочие эффекты.

Как это связано с Солнцем?

На Солнце похожие условия могут возникать там, где относительно холодная и плотная плазма падает сквозь окружающую атмосферу звезды — это явление называют «корональным дождём». Оно способно создавать условия, при которых развивается та же неустойчивость магнитного поля, что и в лаборатории.

Учёные подчёркивают: лабораторная плазма была гораздо плотнее, а процессы шли быстрее, чем на Солнце. Установка не воспроизводила полный масштаб накопления магнитной энергии. Но она показала механизм, который может работать в солнечной короне. Дальнейшие наблюдения должны показать, как часто это происходит и какую долю тепла обеспечивает.