Учёные воссоздали солнечные вспышки в лаборатории и, возможно, разгадали одну из главных тайн Солнца

Чем дальше от огня, тем слабее ощущается его жар. Но на Солнце происходит нечто противоположное: температура его видимой поверхности составляет около 5500 градусов Цельсия, тогда как внешняя атмосфера, называемая короной, может нагреваться более чем до миллиона градусов. Почему чрезвычайно разреженный слой солнечной атмосферы оказывается в сотни раз горячее поверхности звезды, учёные пытаются объяснить уже несколько десятилетий.

Теперь исследователи из Китая воспроизвели в лаборатории физический процесс, который может быть одной из причин столь необычного нагрева. Они обнаружили, что определённые движения плазмы способны сближать магнитные поля, высвобождая накопленную в них энергию и превращая её в тепло. В эксперименте температура электронов оказалась почти вдвое выше, чем при аналогичных условиях без такого взаимодействия.

Команда, в которую вошли Вэй Сунь из Китайского института атомной энергии и Юнли Пин из Пекинского педагогического университета, пыталась разобраться в происхождении небольших выбросов энергии на Солнце. Существует гипотеза, согласно которой солнечную корону нагревают бесчисленные крошечные вспышки, получившие название нановспышек. Каждая из них высвобождает сравнительно немного энергии, но вместе они могут вносить существенный вклад в поддержание экстремальной температуры солнечной атмосферы.

Одна из возможных причин таких вспышек связана с магнитными полями. Солнце состоит из плазмы — вещества, содержащего электрически заряженные частицы. Плазма пронизана магнитными полями, которые могут менять свою конфигурацию. Когда области с противоположно направленными полями сближаются, магнитные связи перестраиваются, а часть накопленной энергии высвобождается и нагревает частицы. Этот процесс называется магнитным пересоединением.

Однако оставался важный вопрос: какие именно процессы могут сводить магнитные поля вместе и запускать такие небольшие выбросы энергии?

Чтобы найти ответ, физики провели эксперимент на лазерной установке «Шэнгуан-2» в Шанхае. Они направили четыре частично перекрывающихся лазерных луча на пластиковую мишень, поверхность которой была покрыта мелкими волнообразными неровностями. Лазерные импульсы продолжались всего миллиардную долю секунды, но за это время часть вещества мишени превратилась в плазму.

Образовавшаяся плазма начала расширяться в окружающий воздух, плотность которого была значительно ниже. По мере замедления расширения небольшие неровности на границе двух сред стали увеличиваться, образуя вытянутые выступы, напоминающие пальцы, и структуры грибовидной формы.

Это проявление неустойчивости Рэлея — Тейлора — физического явления, при котором граница между средами разной плотности становится неустойчивой и небольшие возмущения начинают быстро расти.

Именно эти необычные структуры оказались ключом к происходящему. Расширяющаяся плазма самостоятельно создавала магнитные поля вокруг вытянутых выступов, причём у соседних структур направления полей были противоположными.

Компьютерное моделирование показало, что по мере роста выступы сближали магнитные поля. В результате возникали условия для магнитного пересоединения, сопровождавшегося высвобождением энергии и дополнительным нагревом плазмы.

Чтобы проверить, насколько важную роль играют эти структуры, исследователи повторили эксперимент, заменив волнистую пластиковую мишень на совершенно гладкую. В этом случае поток плазмы оказался более однородным, а характерные вытянутые выступы не сформировались.

Разница в нагреве была существенной. Проанализировав рентгеновское излучение плазмы, физики оценили температуру содержащихся в ней электронов. При использовании мишени с неровной поверхностью пиковая температура достигала примерно 820 тысяч градусов Цельсия. В контрольном эксперименте с гладкой мишенью она была почти вдвое ниже.

Исследователи провели и дополнительную компьютерную проверку. Они смоделировали аналогичный процесс, но исключили возможность образования магнитных полей. В этих условиях дополнительный нагрев практически исчез. Такой результат стал ещё одним свидетельством того, что увеличение температуры связано именно с магнитными взаимодействиями, а не только с движением плазмы.

Но какое отношение эксперимент с пластиковой мишенью и лазерами имеет к настоящему Солнцу?

По мнению учёных, похожие условия могут возникать в солнечной короне во время так называемого коронального дождя. Это явление происходит, когда относительно холодная и плотная плазма опускается обратно к Солнцу через окружающую горячую атмосферу, двигаясь вдоль линий магнитного поля.

На границах между более плотной падающей плазмой и окружающей средой могут возникать неустойчивости, подобные тем, которые удалось воспроизвести в лаборатории. Если образующиеся структуры сближают противоположно направленные магнитные поля, это может запускать небольшие вспышки с выделением тепла.

Главное достоинство нового эксперимента заключается в том, что он позволяет изучать процессы, которые на настоящем Солнце слишком малы и быстры для детального наблюдения. В лаборатории физики могут контролировать исходные условия, выяснять, при каких обстоятельствах магнитные поля сближаются, и измерять, насколько эффективно их энергия превращается в тепло.

Впрочем, исследователи подчёркивают, что воспроизвести солнечные условия полностью им не удалось. Лабораторная плазма была значительно плотнее солнечной, а все процессы протекали гораздо быстрее, чем предполагаемые нановспышки в короне. Кроме того, эксперимент не воспроизводил весь процесс накопления магнитной энергии, происходящий на Солнце.

Чтобы оценить применимость результатов к солнечной атмосфере, учёные сопоставили ключевые физические соотношения в лабораторной системе и в короне. Это позволило выделить общие закономерности, но не доказало, что обнаруженный механизм играет определяющую роль в нагреве Солнца.

Таким образом, многолетняя загадка пока не получила окончательного решения. Эксперимент показал, каким образом движение плазмы может создавать условия для высвобождения магнитной энергии и сильного локального нагрева. Теперь предстоит выяснить, насколько часто подобные процессы происходят на Солнце и какую долю энергии они действительно передают его короне.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.