3 загадки Солнца, которые мы до сих пор не разгадали

За последние десятилетия наше понимание Солнца продвинулось далеко вперед, но все еще остается множество загадок, которые нынешние и будущие миссии надеются разгадать.

С тех пор как мы начали отправлять спутники в космос, наши знания о Солнце растут в геометрической прогрессии. Мы увидели Солнце в новых диапазонах волн, впервые наблюдая нашу местную звезду в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах. Эти наблюдения открыли множество новых необъяснимых явлений на Солнце. Многие из этих ранних наблюдений за Солнцем уже давно объяснены, однако ученые до сих пор пытаются разгадать загадки, связанные с нашей звездой.

Здесь мы расскажем о трех основных загадках нашей звезды, хотя, конечно, есть и другие. Большинство текущих и будущих проектов по наблюдению за Солнцем, как с земли, так и из космоса, включают одну или несколько из этих загадок в качестве основной научной цели.

1. Проблема коронального нагрева

Корона видна во время полного солнечного затмения.

Внешняя атмосфера Солнца, называемая короной, имеет температуру около 1 миллион градусов по Цельсию. Однако поверхность Солнца, называемая фотосферой, имеет гораздо, гораздо более низкую температуру — 5500 градусов Цельсия. На первый взгляд, это вызывает недоумение. Если солнечная атмосфера получает энергию от Солнца, то как корона может быть горячее самого Солнца?
Обычно для объяснения этого используется аналогия с костром: Если костер выделяет тепло, то можно ожидать, что дальше от костра воздух будет становиться холоднее, а не горячее — как в случае с солнцем. Однако на самом деле это неудачная аналогия, потому что она неправильно понимает истинное определение температуры в физике.

В физике температура определяется как количество энергии внутри атомов, из которых состоит вещество — например, воздух вокруг вас. Если атомы воздуха вибрируют с большим количеством энергии, воздух горячий. Если они вибрируют меньше, воздух холоднее. Но это определение не учитывает плотность. Если воздух плотнее и в нем больше атомов одинаковой температуры, температура воздуха не меняется. А вот что изменится, так это энергия, содержащаяся в окружающем нас воздухе.

Так, в контексте Солнца корона гораздо горячее — но гораздо менее плотная — чем поверхность Солнца. Поверхность, с другой стороны, холоднее, но имеет гораздо более высокую плотность. В результате, хотя температура фотосферы ниже, общая энергия все равно выше.

Но хотя мы знаем, что корона горячая из-за более высокой энергии в фотосфере, это все равно не решает проблему коронального нагрева. Остается загадкой, как энергия переносится с поверхности Солнца в его атмосферу. Существует множество теорий, но наши наблюдения не дали никаких убедительных доказательств… пока.

2. Внутреннее динамо Солнца и солнечный цикл

Прогрессия числа солнечных пятен в солнечном цикле NOAA ISES: Солнечные циклы 19-24 демонстрируют значительно отличающиеся амплитуды солнечного максимума.

Солнце следует 11-летнему циклу повышения и понижения активности. В пик солнечного цикла, называемый солнечным максимумом, на Солнце появляются многочисленные пятна, солнечные вспышки и выбросы корональной массы (КВМ). Во время солнечного минимума Солнце бездействует от нескольких месяцев до нескольких лет. Период 11-летнего цикла достаточно предсказуем и постоянно совпадает с этим промежутком времени. Однако от цикла к циклу значительно меняется величина солнечного максимума. В некоторых солнечных циклах пик более чем в два раза превышает пик других.
В общих чертах мы понимаем, что движет солнечным циклом. Поскольку Солнце вращается с разной скоростью на разных широтах, глобальное магнитное поле медленно наматывается и становится более концентрированным, вызывая большую магнитную активность. В конце концов, магнитное поле сворачивается настолько, что исчезает под поверхностью Солнца, обнажая базовый солнечный минимум магнитного поля. Хотя мы понимаем это на высшем уровне, сложная физика, управляющая солнечным магнитным полем изнутри Солнца, называемая солнечным динамо, и то, почему это вызывает 11-летние циклы с меняющимися пиками, еще не до конца понятны.

3. Прогнозирование солнечных вспышек и выбросов корональной массы

Солнечная вспышка на дальней стороне Солнца 23 июля 2024 года.

Солнечные вспышки и КВМ (извержения на Солнце) являются основными факторами космической погоды — влияния Солнца на околоземное пространство, что сказывается на наших электросетях, спутниках и радиосвязи. Во всем мире десятки специалистов по прогнозированию космической погоды регулярно направляют прогнозы ключевым заинтересованным сторонам, информируя их о возможных сбоях в работе солнечной активности. Эти синоптики делают фантастическую работу, но их возможности весьма ограничены как имеющимися наблюдениями, так и нашими ограниченными коллективными знаниями о движущих силах солнечных вспышек и КВМ.

В настоящее время наше прогнозирование вспышек и КВМ носит вероятностный и ситуативный характер. Мы можем определить, когда вероятность их возникновения высока, но не можем точно сказать, когда произойдет вспышка. Чтобы лучше предсказывать эти события, мы должны сначала понять сложные процессы, которые вызывают вспышки и КВМ на очень малых масштабах. Это еще одна ключевая область постоянных исследований.

Какими инструментами мы располагаем, чтобы ответить на эти вопросы?

Художественный концепт солнечного зонда НАСА Parker Solar Probe, наблюдающего за Солнцем.

В настоящее время мы переживаем эпоху исследований физики Солнца, богатую данными. В космосе на околоземной орбите работает целый ряд гелиофизических миссий НАСА, включая Обсерваторию солнечной динамики и спектрограф Interface Region Imaging Spectrograph. В конце этого десятилетия к ним присоединится космический аппарат НАСА Multi-slit Solar Explorer. К ключевым телескопам на околоземной орбите также относятся японский Hinode, индийский Aditya-L1 и китайская Солнечная обсерватория Advanced Space-based Solar Observatory.

На орбите Солнца вращаются солнечный орбитальный аппарат Европейского космического агентства и солнечный зонд НАСА Parker Solar Probe. И, наконец, у нас есть множество наземных солнечных телескопов, крупнейшим из которых является Солнечный телескоп Инуе Национального научного фонда. Все вместе эти миссии по изучению физики Солнца, а также другие, делают фантастическую работу по предоставлению данных, необходимых для раскрытия выдающихся тайн Солнца.