Науковці дослідили розігріту лазером плазму. Вона стала схожою на те, з чого складається сонячна корона і шари, що лежать під нею. Тепер стало зрозуміло, як гра температури та переміщення матерії породжує складні магнітні явища, які спричиняють спалахи на нашому світилі.
Раптові «наноспалахи» сонячної плазми
У рамках нового дослідження, опублікованого в журналі Physical Review Letters, команда під керівництвом Вей Суна з Китайського інституту атомної енергії відтворила в лабораторії умови, схожі на ті, що панують у сонячній короні. Їхній експеримент демонструє, як різке нагрівання може бути спричинене нестабільністю плазми в короні, що викликає крихітні спалахи енергії, які називаються «наноспалахами». Про це розповідає сайт phys.org.
Зі своєї видимої поверхні Сонце випромінює тепло при відносно низькій температурі — 5 800 кельвінів. Проте у тонкому зовнішньому шарі сонячної атмосфери, відомому як корона, температура електронів може сягати мільйонів градусів, і астрономи досі не можуть повністю пояснити причини цього явища.
Найпоширеніша теорія нагрівання корони починається з поверхні Сонця, де бурхлива плазма повільно скручує та розтягує магнітні поля, що простягаються вгору до корони, накопичуючи в них енергію.
Зрештою, всередині тонких шарів електричного струму лінії магнітного поля, спрямовані в протилежні боки, можуть розриватися й знову з’єднуватися в процесі, який називають «перез’єднанням», раптово вивільняючи цю енергію. Кожний наноспалах є невеликим за сонячними мірками, але може випускати струмені плазми та на короткий час нагрівати навколишнє середовище до екстремальних температур.
Окремо, спостереження виявили пальцеподібні структури, що утворюються там, де щільні краплі холоднішої плазми провалюються крізь більш розріджену плазму навколо них — у процесі, який астрономи називають «корональним дощем». Подібно до того, як важка рідина лежить поверх легшої, така конфігурація є нестабільною.
Моделювання показало, що ці «пальці» можуть стискати магнітні поля, викликаючи перез’єднання та утворення невеликих плазмових струменів. Однак досі не було знайдено прямих доказів, які б пов’язували ці ефекти з нагріванням, спричиненим наноспалахами.
Сонячна корона в лабораторії
Для створення аналога сонячної корони команда Суна скористалася китайською лазерною установкою «Шенгуан-ІІ». Вони направляли потужні лазерні промені на крихітні пластикові мішені з хвилястими поверхнями. У результаті утворилася плазма діаметром усього в кілька міліметрів, у якій були точно контрольовано засіяні нестабільності.
Хоча ця плазма була набагато меншою за будь-яку на Сонці, її налаштували так, щоб вона поводилася подібно до плазми навколо коронального дощу. Потім дослідники відстежували структуру плазми та її магнітні поля за допомогою оптичної візуалізації, а також оцінили температуру її електронів, проаналізувавши випромінювані нею рентгенівські промені. Для порівняння вони повторили експеримент із використанням плоских мішеней, на яких не могли утворюватися нестабільності.
Наноспалахи, спричинені магнітними полями, збільшують температуру
Результатом стала перша в історії лабораторна демонстрація наноспалаху, спричиненого нестабільністю плазми. За допомогою хвилястих мішеней команда відтворила пальцеподібні структури, що спостерігаються в реальній короні, які зближували магнітні поля, спрямовані в протилежні боки, і спричиняли реконнекцію. Це дозволило електронам досягти температури близько 820 000 К — приблизно вдвічі вищої за максимальну температуру, досягнуту за допомогою плоских мішеней.
Супровідні комп’ютерні моделювання показали, що електричне нагрівання в шарах струму реконнекції значно переважало нагрівання внаслідок тертя в плазмі. Коли в моделюваннях було пригнічено утворення магнітних полів, більша частина додаткового нагрівання зникла, що підкріпило магнітне пояснення.
Цей результат може заповнити важливу прогалину в нашому розумінні того, як нагрівається корона. Команда Суна тепер сподівається розширити свій експеримент, використовуючи більше 3D-плазм та проводячи більш точні вимірювання. Це, у свою чергу, може допомогти дослідникам відповісти на залишені питання щодо того, наскільки широко діє цей механізм, і чи відбуваються наноспалахи достатньо часто, щоб пояснити значну частину тепла корони.
