Вот почему Солнечная корона такая горячая: зонд Parker добыл прямое доказательство существования «спирального барьера»

Представьте себе костёр, у которого теплее на расстоянии метра, чем в самом пламени. Звучит абсурдно, не так ли? Однако именно с таким парадоксом астрофизики сталкиваются, изучая наше Солнце. Его видимая поверхность, фотосфера, имеет температуру около 5500 °C, но внешняя атмосфера — корона — раскалена до миллионов градусов. Как звезда умудряется так сильно нагревать то, что находится далеко от её основного «котла»?

К этому вопросу добавляется второй: что за неведомая сила разгоняет солнечный ветер — поток заряженных частиц — до сверхзвуковых скоростей, отправляя его в путешествие по всей Солнечной системе?

Десятилетиями эти две загадки оставались одними из самых интригующих в гелиофизике. Но недавнее открытие, сделанное благодаря смелому космическому аппарату NASA, похоже, наконец-то проливает свет на эту тайну. И ключ к разгадке оказался в явлении, которое учёные назвали «спиральным барьером».

Космический детектив по имени «Паркер»

Чтобы разгадать загадку, нужно было оказаться на месте преступления. Долгое время мы изучали Солнце с безопасного расстояния, но это всё равно что пытаться понять устройство двигателя, слушая его рёв с другого конца улицы. Всё изменилось с появлением солнечного зонда «Паркер». Этот аппарат — настоящий камикадзе от науки. Его миссия — буквально нырнуть в раскалённую корону Солнца, пролетев сквозь неё и собрав данные, которые невозможно получить с Земли.

Именно эта беспрецедентная близость позволила учёным из Лондонского университета королевы Марии напрямую «пощупать» процессы, происходящие в солнечной плазме, и найти то, что раньше было лишь теорией.

Что такое турбулентность и при чём тут спиральность?

Чтобы понять суть открытия, нужно разобраться в одном ключевом понятии — турбулентности. Представьте себе быструю реку. Её поток не гладкий; он полон вихрей, завихрений и водоворотов. Крупные водовороты распадаются на более мелкие, те — на ещё более мелкие, и так далее, пока на самом микроскопическом уровне эта энергия движения не превратится в тепло. Этот процесс называется турбулентным каскадом.

Примерно то же самое происходит и в солнечном ветре, который, по сути, является потоком плазмы. Мощные волны и флуктуации, идущие от Солнца, создают турбулентность, которая, как считалось, и должна нагревать корону. Но была проблема: в околосолнечной среде плазма настолько разрежена, что частицы в ней почти не сталкиваются друг с другом. Классические модели «рассеивания энергии в тепло» здесь работали плохо. Чего-то не хватало.

И вот здесь на сцену выходит спиральность (helicity). Если говорить просто, это мера «закрученности» в потоке. Вихри в нашей реке могут закручиваться по часовой стрелке или против. В плазме магнитные поля и волны тоже имеют своего рода «закрученность», которую можно условно назвать правой или левой.

Новое исследование показало: когда в плазме возникает сильный дисбаланс — например, «правых» завихрений становится гораздо больше, чем «левых», — происходит нечто интересное. Этим однонаправленным вихрям становится трудно взаимодействовать и аннигилировать друг с другом, чтобы передать энергию на меньшие масштабы. Они будто создают невидимый барьер, который блокирует классический турбулентный каскад. Энергия запирается на определённом уровне и не может «просочиться» дальше вниз.

Разгадка парадокса: горячие протоны и мощный ветер

И что же происходит с этой запертой энергией? Она находит другой, более экзотический способ превратиться в тепло. Этот механизм оказался куда эффективнее, чем предполагалось, и он идеально объяснил давние странности.

Данные с «Паркера» не просто подтвердили существование этого «спирального барьера», но и связали его с конкретными наблюдаемыми фактами. Например, учёные давно знали, что в солнечном ветре протоны (ядра водорода) почему-то всегда горячее лёгких электронов. Никто не мог толком объяснить, почему. А теория спирального барьера даёт ответ: механизм диссипации запертой энергии нагревает тяжёлые частицы (протоны) гораздо сильнее.

Так мы получаем изящное решение сразу двух проблем.

1. Нагрев короны: «Спиральный барьер» создаёт условия для сверхэффективного нагрева плазмы, объясняя миллионы градусов в солнечной атмосфере.
2. Ускорение солнечного ветра: Эта же колоссальная энергия, высвобождаясь, даёт мощный «пинок» частицам, разгоняя их до скоростей в сотни километров в секунду.

Критически важно, что условия для возникновения этого барьера — сильное магнитное поле и дисбаланс плазменных волн — как раз типичны для околосолнечной среды, где сейчас и работает зонд «Паркер». Это значит, что перед нами не редкое исключение, а фундаментальный, широко распространённый процесс.

От Солнца до далёких галактик

Значение этого открытия простирается далеко за пределы нашей Солнечной системы. Горячая и разреженная плазма — это не экзотика, а одно из самых распространённых состояний вещества во Вселенной. Из неё состоят межзвёздные туманности, аккреционные диски вокруг чёрных дыр и атмосферы других звёзд.

Понимание того, как эта плазма нагревается и движется, — ключ к пониманию эволюции галактик. Солнце, по сути, предоставило нам уникальную природную лабораторию, где мы можем вблизи изучить процессы, управляющие космосом в самых грандиозных масштабах.

И, конечно, есть и более приземлённая польза. Чем лучше мы понимаем физику солнечного ветра, тем точнее сможем прогнозировать космическую погоду — вспышки и магнитные бури, которые угрожают нашим спутникам, системам связи и даже электросетям на Земле. Так что, разгадывая тайну далёкой и раскалённой короны, мы одновременно делаем нашу жизнь здесь, на Земле, немного безопаснее.