Китайские ученые впервые воссоздали в лаборатории процесс, раскаляющий атмосферу Солнца до миллиона градусов

Команда физиков из Китая впервые в лабораторных условиях воспроизвела процесс, который может объяснить одну из главных загадок астрофизики — аномально высокую температуру внешней атмосферы Солнца. Давно известно, что видимая поверхность светила нагрета примерно до 5500 °C, тогда как расположенная над ней корона (внешняя атмосфера) может превышать миллион градусов Цельсия. Ученые десятилетиями не могли объяснить, почему тонкий внешний слой оказывается горячее поверхности в сотни раз — ситуация, которую сравнивают с воздухом, становящимся теплее по мере удаления от костра.

Одна из ведущих гипотез связывает этот нагрев с нановспышками — крошечными выбросами энергии, возникающими при перестройке магнитных полей в плазме короны. Согласно теории, бесчисленное множество таких событий сообща способно поддерживать высокую температуру внешней атмосферы Солнца. Однако наблюдать нановспышки напрямую крайне сложно из-за их малых размеров и короткой длительности, поэтому проверка гипотезы требовала экспериментального подхода.

Команда ученых под руководством Вэй Суня из Китайского института атомной энергии и Юнли Пина из Пекинского педагогического университета провела серию экспериментов на лазерной установке «Шэньгуан-II» в Шанхае. Четыре лазерных пучка сфокусировали в одной точке на полимерной мишени с волнообразным микрорельефом. Мощные наносекундные импульсы — длительностью всего в миллиардную долю секунды — мгновенно ионизировали пластик, превращая его в раскаленную плазму. При расширении плазмы в менее плотную среду на её границе развивалась неустойчивость Рэлея — Тейлора, порождавшая пальцеобразные и грибовидные структуры.

Вокруг этих структур возникали собственные магнитные поля, причём в соседних областях они были направлены противоположно. Компьютерное моделирование показало, что рост структур сближал противоположно направленные поля, запуская магнитное пересоединение — процесс, при котором запасённая магнитная энергия высвобождается и переходит в тепло. В контрольном эксперименте с гладкой пластиковой мишенью плазма расширялась равномернее, и характерные структуры не формировались.

Анализ рентгеновского излучения плазмы позволил оценить температуру электронов. В эксперименте с волнистой мишенью пиковое значение составило около 820 000 °C — почти вдвое выше, чем в опыте с плоской мишенью. Дополнительное моделирование, в котором формирование магнитных полей было искусственно исключено, показало, что добавочный нагрев в значительной степени исчезает, что подтверждает роль магнитного пересоединения в наблюдаемом эффекте.

Авторы отмечают, что параметры, определявшие поведение лабораторной плазмы, совпадают с условиями, наблюдаемыми в областях Солнца с корональным дождём — явлением, при котором относительно холодная и плотная плазма опускается сквозь корону. Именно на границах таких потоков, по мнению исследователей, может развиваться аналогичная неустойчивость, приводящая к нановспышкам. Вместе с тем лабораторная плазма была значительно плотнее, а процесс протекал гораздо быстрее, чем предполагаемые солнечные события, поэтому переносить результаты напрямую на Солнце можно лишь с оговорками.

Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Physical Review Letters, предоставили ученым инструмент для изучения процессов, которые слишком малы и быстры для отчётливого наблюдения на Солнце, и позволяет проверять, какие условия сближают магнитные поля и насколько эффективно выделяющаяся энергия нагревает плазму. В будущих исследованиях астрофизики намерены оценить реальный масштаб этого явления: предстоит выяснить, как часто оно происходит на Солнце и способно ли наконец разрешить давнюю загадку экстремального нагрева солнечной короны.

Источник: researchgate.net