В августе 2018 года космический зонд NASA Parker Solar Probe вышел в космос, вскоре став самым близким к Солнцу космическим кораблем. Обладая передовыми научными инструментами для измерения окружающей среды вокруг космического корабля, компания Parker Solar Probe завершила три из 24 запланированных проходов через неизвестные ранее части солнечной атмосферы — корону. 4 декабря 2019 года четыре новые статьи в журнале Nature описывают, что ученые узнали из этого беспрецедентного исследования нашей звезды — и что они с нетерпением ждут, чтобы узнать дальше.
Эти находки раскрывают новую информацию о поведении материала и частиц, которые удаляются от Солнца, приближая ученых к ответам на фундаментальные вопросы о физике нашей звезды. Стремясь защитить астронавтов и технологии в космосе, Паркер раскрыл информацию о том, как Солнце постоянно выбрасывает материал и энергию, поможет ученым переписать модели, которые мы используем, чтобы понять и предсказать космическую погоду вокруг нашей планеты и понять процесс с помощью какие звезды созданы и развиваются.
«Эти первые данные от Паркера показывают нашу звезду, Солнце, новыми и удивительными способами», — сказал Томас Цурбучен, заместитель администратора по науке в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне. «Наблюдение за Солнцем вблизи, а не с гораздо большего расстояния, дает нам беспрецедентный взгляд на важные солнечные явления и то, как они влияют на нас на Земле, и дает нам новое понимание, относящееся к пониманию активных звезд в галактиках. Это только начало невероятно захватывающего времени для гелиофизики с Паркером в авангарде новых открытий «.
Хотя это может показаться нам спокойным здесь, на Земле, Солнце совсем не тихо. Наша звезда обладает магнитной активностью, испуская мощные вспышки света, потоки частиц, движущихся со скоростью света, и миллиардные облака намагниченного материала. Вся эта деятельность воздействует на нашу планету, внедряя вредные частицы в пространство, где летают наши спутники и астронавты, нарушая связь и навигационные сигналы, и даже — когда интенсивно — вызывает перебои в подаче электроэнергии. Это происходило в течение всей жизни Солнца в течение 5 миллиардов лет и будет продолжать формировать судьбы Земли и других планет в нашей солнечной системе в будущем.
«Солнце очаровывало человечество на протяжении всего нашего существования», — сказал Нур Э. Рауафи, исследователь проекта Parker Solar Probe из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд, которая создала и управляет миссией НАСА. «Мы узнали много нового о нашей звезде за последние несколько десятилетий, но нам действительно требовалась такая миссия, как Parker Solar Probe, чтобы попасть в атмосферу Солнца. Только там мы действительно можем узнать подробности этих сложных солнечных процессов». И то, что мы узнали только на этих трех солнечных орбитах, изменило многое из того, что мы знаем о Солнце ».
То, что происходит на Солнце, имеет решающее значение для понимания того, как оно формирует пространство вокруг нас. Большая часть материала, который ускользает от Солнца, является частью солнечного ветра, непрерывного оттока солнечного материала, который омывает всю солнечную систему. Этот ионизированный газ, называемый плазмой, несет с собой магнитное поле Солнца, растягивая его через солнечную систему в виде гигантского пузыря, охватывающего более 10 миллиардов миль.
Динамический солнечный ветер
Наблюдаемый вблизи Земли солнечный ветер представляет собой относительно равномерный поток плазмы с периодическими турбулентными колебаниями. Но к этому моменту он преодолел девяносто миллионов миль — и сигнатуры точных механизмов Солнца для нагревания и ускорения солнечного ветра были стерты с лица земли. Ближе к источнику солнечного ветра, Parker Solar Probe увидел совсем другую картину: сложную, активную систему.
«Сложность была ошеломляющей, когда мы впервые начали изучать данные», — сказал Стюарт Бэйл из Калифорнийского университета в Беркли, руководитель набора инструментов FIELDS Parker Solar Probe, который изучает масштаб и форму электрических и магнитных полей. «Теперь я привык к этому. Но когда я показываю коллегам в первый раз, они просто поражены». По словам Бэйла, с точки зрения Паркера в 15 миллионов миль от Солнца солнечный ветер гораздо более импульсивен и нестабилен, чем то, что мы видим у Земли.
Как и само Солнце, солнечный ветер состоит из плазмы, где отрицательно заряженные электроны отделены от положительно заряженных ионов, создавая море свободно плавающих частиц с индивидуальным электрическим зарядом. Эти свободно плавающие частицы означают, что плазма несет электрические и магнитные поля, и изменения в плазме часто делают отметки на этих полях. Приборы FIELDS исследовали состояние солнечного ветра, измеряя и тщательно анализируя, как электрические и магнитные поля вокруг космического корабля изменялись с течением времени, наряду с измерением волн в близлежащей плазме.
Эти измерения показали быстрое изменение магнитного поля и внезапные, быстро движущиеся струи материала — все характеристики, которые делают солнечный ветер более турбулентным. Эти детали являются ключом к пониманию того, как ветер рассеивает энергию, когда он уходит от Солнца и по всей солнечной системе.
В частности, один из видов событий привлек внимание научных групп: перевороты в направлении магнитного поля, которое вытекает из Солнца, встроенного в солнечный ветер. Эти развороты, получившие название «обратные переключения», длятся от нескольких секунд до нескольких минут, пока они протекают по солнечному зонду Parker. Во время переключения магнитное поле возвращается назад, пока оно почти не направлено обратно на Солнце. Вместе FIELDS и SWEAP, набор инструментов для солнечного ветра, возглавляемый Мичиганским университетом и управляемый Смитсоновской астрофизической обсерваторией, измерил кластеры обратных переключений в первых двух Flybys Parker Solar Probe.
«Волны были замечены в солнечном ветре с начала космической эры, и мы предполагали, что ближе к Солнцу волны станут сильнее, но мы не ожидали увидеть их организацию в эти когерентные структурированные всплески скорости», — сказал Джастин. Каспер, главный исследователь SWEAP — сокращение от «Электроны солнечного ветра», «Альфы и протоны» — в Мичиганском университете в Анн-Арборе. «Мы обнаруживаем остатки структур от Солнца, выброшенных в космос, и насильственно меняем организацию потоков и магнитного поля. Это кардинально изменит наши теории о том, как нагревается корона и солнечный ветер».
Точный источник переключений еще не понят, но измерения Parker Solar Probe позволили ученым сузить возможности.
Среди множества частиц, которые постоянно текут от Солнца, есть постоянный пучок быстро движущихся электронов, которые движутся вдоль линий магнитного поля Солнца в солнечную систему. Эти электроны всегда текут строго по форме линий поля, выходящих из Солнца, независимо от того, направлен ли северный полюс магнитного поля в этой конкретной области к Солнцу или от него. Но Parker Solar Probe измерил этот поток электронов, движущихся в противоположном направлении, переворачиваясь назад к Солнцу — показывая, что само магнитное поле должно изгибаться назад к Солнцу, а не Parker Solar Probe, просто встречая другую линию магнитного поля от Солнце, которое указывает в противоположном направлении.
Наблюдения Parker Solar Probe за переключениями показывают, что по мере приближения космического корабля к Солнцу эти события будут становиться все более распространенными. Следующая солнечная встреча миссии 29 января 2020 года поднимет космический корабль ближе к Солнцу, чем когда-либо прежде, и может пролить новый свет на этот процесс. Такая информация не только помогает изменить наше понимание того, что вызывает солнечный ветер и космическую погоду вокруг нас, но также помогает нам понять фундаментальный процесс работы звезд и того, как они выделяют энергию в окружающую среду.
Вращающийся солнечный ветер
Некоторые измерения Parker Solar Probe приближают ученых к ответам на давние вопросы. Один такой вопрос о том, как именно солнечный ветер вытекает из Солнца.
Рядом с Землей мы видим, что солнечный ветер течет почти радиально — это означает, что он течет прямо от Солнца, прямо во всех направлениях. Но Солнце вращается, выпуская солнечный ветер; прежде чем он вырвался на свободу, солнечный ветер вращался вместе с ним. Это немного похоже на то, как дети едут на карусели на детской площадке — атмосфера вращается вместе с Солнцем так же, как вращается внешняя часть карусели, но чем дальше вы уходите от центра, тем быстрее вы движетесь в пространстве. Ребенок на краю может спрыгнуть и в этот момент будет двигаться по прямой линии наружу, а не продолжать вращаться. Аналогичным образом, существует некоторая точка между Солнцем и Землей: солнечный ветер переходит от вращения вместе с Солнцем к течению прямо наружу или радиально, как мы видим с Земли.
Именно то, где солнечный ветер переходит от вращательного потока к совершенно радиальному потоку, влияет на то, как Солнце теряет энергию. Нахождение этой точки может помочь нам лучше понять жизненный цикл других звезд или образование протопланетных дисков, плотных газовых и пылевых дисков вокруг молодых звезд, которые в конечном итоге объединяются в планеты.
Теперь, впервые — вместо того, чтобы просто видеть тот прямой поток, который мы видим около Земли — Parker Solar Probe смог наблюдать солнечный ветер, пока он еще вращался. Как будто Parker Solar Probe впервые увидел вращающуюся карусель, а не просто прыгающих с нее детей. Прибор солнечного ветра Parker Solar Probe обнаружил вращение, начинающееся на расстоянии более 20 миллионов миль от Солнца, и когда Паркер приблизился к точке перигелия, скорость вращения увеличилась. Сила циркуляции была сильнее, чем предсказывали многие ученые, но она также перешла быстрее, чем предсказывалось, к внешнему потоку, который помогает маскировать эти эффекты от того места, где мы обычно сидим, примерно в 93 миллионах миль от Солнца.
«Большой вращательный поток солнечного ветра, замеченный во время первых столкновений, стал настоящим сюрпризом», — сказал Каспер. «Хотя мы надеялись увидеть вращательное движение ближе к Солнцу, высокие скорости, которые мы наблюдаем в этих первых столкновениях, почти в десять раз больше, чем предсказывают стандартные модели».
Пыль возле Солнца
Другой вопрос, приближающийся к ответу, — неуловимая зона без пыли. Наша солнечная система затоплена пылью — космическими крошками столкновений, которые сформировали планеты, астероиды, кометы и другие небесные тела миллиарды лет назад. Ученые давно подозревали, что вблизи Солнца эта пыль будет нагреваться до высоких температур мощным солнечным светом, превращая ее в газ и создавая беспыльную область вокруг Солнца. Но никто никогда не наблюдал это.
Впервые сканеры Parker Solar Probe увидели, как космическая пыль начала истончаться. Поскольку WISPR — прибор визуализации Parker Solar Probe, возглавляемый военно-морской исследовательской лабораторией, — смотрит в сторону космического корабля, он может видеть широкие полосы короны и солнечного ветра, включая области, расположенные ближе к Солнцу. Эти изображения показывают, что пыль начинает истончаться чуть более 7 миллионов миль от Солнца, и это уменьшение пыли неуклонно продолжается до текущих пределов измерений WISPR на чуть более 4 миллионов миль от Солнца.
«Эта беспыльная зона была предсказана несколько десятилетий назад, но никогда раньше ее не было», — говорит Расс Ховард, главный исследователь пакета WISPR — сокращение от Wide-field Imager for Solar Probe — в Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, ДК «Мы сейчас видим, что происходит с пылью возле Солнца».
Темпы истончения, ученые ожидают увидеть действительно беспыльную зону, начинающуюся чуть более чем в 2-3 миллионах миль от Солнца — это означает, что солнечная батарея Parker может наблюдать беспыльную зону уже в 2020 году, когда ее шестая Облет Солнца приблизит его к нашей звезде, чем когда-либо прежде.
Положить космическую погоду под микроскопом
Измерения Parker Solar Probe дали нам новый взгляд на два типа событий в космической погоде: энергетические бури частиц и выбросы корональной массы.
Крошечные частицы — и электроны, и ионы — ускоряются солнечной активностью, создавая штормы энергичных частиц. События на Солнце могут послать эти частицы, вылетающие в солнечную систему со скоростью, близкой к скорости света, что означает, что они достигают Земли менее чем за полчаса и могут воздействовать на другие миры в столь же коротких временных масштабах. Эти частицы несут много энергии, поэтому они могут повредить электронику космического корабля и даже поставить под угрозу астронавтов, особенно в глубоком космосе, вне защиты магнитного поля Земли — и короткое время предупреждения для таких частиц делает их трудно избежать.
Понимание того, как эти частицы ускоряются до таких высоких скоростей, имеет решающее значение. Но даже несмотря на то, что они попадают на Землю всего за несколько минут, частиц все же достаточно для того, чтобы потерять сигнатуры процессов, которые ускорили их в первую очередь. Обойдя вокруг Солнца всего в нескольких миллионах миль, Parker Solar Probe может измерить эти частицы сразу после того, как они покинули Солнце, проливая новый свет на то, как они высвобождаются.
Приборы IS? IS компании Parker Solar Probe, возглавляемые Принстонским университетом, уже измерили несколько невиданных ранее событий, связанных с энергетическими частицами — событиями настолько маленькими, что все их следы теряются до того, как они достигнут Земли или любого из наших околоземных спутников. , Эти приборы также измеряли редкий тип взрыва частиц с особенно большим количеством более тяжелых элементов, что позволяет предположить, что оба типа событий могут быть более распространенными, чем считали ученые.
«Это удивительно — даже в условиях минимума солнечной активности Солнце производит гораздо больше крошечных энергетических событий, чем мы когда-либо думали», — сказал Дэвид МакКомас, главный исследователь по комплексному научному исследованию сюиты Солнца, или IS? IS, в Принстонском университете. в нью джерси. «Эти измерения помогут нам распутать источники, ускорение и перенос частиц солнечной энергии и, в конечном итоге, лучше защитить спутники и астронавтов в будущем».
Данные от приборов WISPR также предоставили беспрецедентную информацию о структурах в короне и солнечном ветре — включая выбросы корональной массы, облака солнечного материала на миллиарды тонн, которые Солнце посылает в солнечную систему. CME могут вызывать ряд воздействий на Землю и другие миры, от искр сияния до возникновения электрических токов, которые могут повредить электрические сети и трубопроводы. Уникальная перспектива WISPR, рассматриваемая вместе с такими событиями, когда они удаляются от Солнца, уже пролила новый свет на спектр событий, которые может развязать наша звезда.
«Поскольку Parker Solar Probe соответствовал солнечному вращению, мы могли наблюдать за оттоком материала в течение нескольких дней и наблюдать за развитием структур», — сказал Говард. «Наблюдения вблизи Земли заставили нас думать, что тонкие структуры в короне переходят в плавный поток, и мы обнаруживаем, что это неправда. Это поможет нам лучше моделировать, как события движутся между Солнцем и Землей».
Поскольку Parker Solar Probe продолжает свое путешествие, он будет совершать 21 более близкий подход к Солнцу на все более близких расстояниях, достигая кульминации на трех орбитах всего в 3,83 миллиона миль от поверхности Солнца.
«Солнце — единственная звезда, которую мы можем внимательно изучить», — сказал Никола Фокс, директор отдела гелиофизики в штаб-квартире НАСА. «Получение данных у источника уже произвело революцию в нашем понимании нашей собственной звезды и звезд по всей вселенной. Наш маленький космический корабль преодолевает жестокие условия, чтобы отправить домой поразительные и захватывающие откровения».
Данные первых двух солнечных встреч Parker Solar Probe доступны для общественности в режиме онлайн.
Solar Probe от Parker является частью программы НАСА «Жить со звездой», в которой рассматриваются аспекты системы Солнце-Земля, которые непосредственно влияют на жизнь и общество. Программой «Жизнь со звездой» управляет Центр космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, для Управления научной миссии НАСА в Вашингтоне. APL Джона Хопкинса спроектировал, построил и эксплуатирует космический корабль.