Зонд "Паркер": погружения в атмосферу Солнца принесли удивительные открытия

Опубликованы результаты первых двух сближений зонда "Паркер" с нашим родным светилом, во время которых он вторгался в солнечную корону. Собранные данные вынуждают пересмотреть многие представления о звезде по имени Солнце.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже писали об этой миссии. Напомним, что "Паркер" был запущен в августе 2018 года и уже в октябре побил рекорд сближения с Солнцем. Он обращается вокруг нашего светила не по окружности, а по довольно вытянутому эллипсу. При этом сама звезда расположена не в центре этой орбиты, а в так называемом фокусе, который близок к краю эллипса. Поэтому на небольшом участке траектории зонд проходит очень близко к звезде.

Вдобавок на каждом витке аппарат описывает немного другой эллипс, и минимальное расстояние до Солнца уменьшается. Первый перигелий (ближайшая к светилу точка орбиты) был достигнут в ноябре 2018 года. Тогда дистанция до поверхности светила составила 15 миллионов километров. Последнее рандеву запланировано на конец 2025 года, и тогда расстояние составит всего лишь 6,16 миллиона километров. Для сравнения: предыдущий рекорд сближения со светилом, установленный ещё в 1976 году, превышал 43 миллиона километров. Невероятно, но "Паркер" подходит к Солнцу на расстояния, сравнимые с его диаметром (1,4 миллиона километров). Во время своих визитов к звезде зонд фактически входит в солнечную корону, которая простирается на десятки солнечных радиусов.

Орбита миссии показана на анимации ниже.

Результаты, полученные во время первых двух сближений с Солнцем (в ноябре 2018 и марте 2019 года), описаны в четырёх научных статьях, опубликованных в журнале Nature.

Откуда ветер дует

В первой публикации речь идёт об источниках солнечного ветра. Напомним, что это поток плазмы, непрерывно истекающий из Солнца. Астрономы до сих пор не вполне понимают, откуда он берётся.

Разумеется, солнечная корона очень горяча (миллионы градусов). При такой температуре многие частицы имеют слишком большую энергию, чтобы гравитационное поле даже такого гиганта как Солнце могло их удержать. Они отправляются в космос. Но этого эффекта недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемый отток вещества. Должен быть ещё какой-то механизм, из-за которого звезда теряет материю.

Известно, что солнечный ветер делится на быстрый (700–800 километров в секунду) и медленный (300–400 километров в секунду). Довольно давно установлено, что источником быстрого солнечного ветра являются так называемые корональные дыры. Это области короны с пониженной температурой и плотностью и особым направлением магнитного поля.

Происхождение же медленного ветра оставалось для учёных загадкой.

27 октября 2018 года зонд впервые зафиксировал, как из корональной дыры истекает медленный солнечный ветер. Проанализировав данные, исследователи сочли, что подобные дыры являются ключевым источником ветра этого типа.

С ног на голову и обратно

В той же статье говорится о странном поведении магнитного поля солнечного ветра. На расстоянии 36–54 солнечных радиуса от светила аппарат неоднократно фиксировал, как направление магнитного поля меняется на почти противоположное, а потом снова становится прежним. В результате магнитная линия описывает зигзаг (как показано в анимации). Такое явление длится от нескольких секунд до нескольких минут. На больших дистанциях от светила ничего подобного не наблюдается, поэтому до полёта "Паркера" об этом эффекте никто не подозревал. Его происхождение пока не выяснено.

Солнце стирает пыль

Во второй работе речь идёт о том, как Солнце уничтожает космическую пыль. Понятно, что пылинки не могут существовать слишком близко к светилу: они попросту испарятся. Но до сих пор никто не наблюдал предсказанную теоретиками беспылевую зону вокруг звезды.

Теперь исследователи точно знают, что уже на расстоянии 11 миллионов километров от светила количество пыли начинает уменьшаться.

Эти наблюдения были сделаны с дистанции 38–24 миллиона километров от светила. Аппарат измерял количество пыли в областях, которых он пока не достиг, наблюдая рассеянный пылинками солнечный свет.

Её концентрация продолжает падать вплоть до дистанции в 6,5 миллионов километров от звезды. Заглянуть ближе пока не получается.

Учёные ожидают, что на расстоянии менее 3–5 миллионов километров от Солнца пыль отсутствует. К слову, такие близкие окрестности звезды станут доступными для удалённого наблюдения уже в сентябре 2020 года во время шестого рандеву.

"Эта беспылевая зона была предсказана несколько десятилетий назад, но никогда раньше не наблюдалась, – отмечает участник исследования Расселл Ховард (Russell Howard) из Военно-морской исследовательской лаборатории США. – Сейчас мы [впервые] видим, что происходит с пылью возле Солнца".

Солнечный вихрь

В третьей статье исследуется вращение солнечного ветра. Напомним, что Солнце вращается вокруг своей оси. Его атмосфера тоже участвует в этом движении. Но на каком-то расстоянии от звезды поток газа должен превращаться из закрученного вихря в прямые струи солнечного ветра, улетающие в космос.

Где именно происходит эта метаморфоза, до сих пор оставалось загадкой. А между тем ответ на этот вопрос очень важен. Ведь от него зависит, насколько замедляется вращение звезды из-за её протяжённой атмосферы. Эта информация поможет лучше понять прошлое и будущее не только Солнца, но и других светил.

"Паркер" стал первым зондом, подошедшим к нашей звезде так близко, чтобы наблюдать вращающийся солнечный ветер. Как оказалось, внешняя граница вихря лежит на расстоянии примерно 30 миллионов километров от Солнца.

"Мощный вращательный поток солнечного ветра, замеченный во время первых сближений, стал настоящим сюрпризом, – признаётся участник исследования Джастин Каспер (Justin Kasper) из Мичиганского университета. – Хотя мы надеялись в конце концов увидеть вращательное движение при приближении к Солнцу, высокие скорости [вращающегося солнечного ветра], которые мы видим в этих первых столкновениях, почти в десять раз больше, чем прогнозируют стандартные модели".

Солнечный ветер вращается гораздо быстрее, чем ожидали учёные: со скоростью до 35–50 километров в секунду. Но он также быстрее переходит в направленный от Солнца радиальный поток. Специалистам ещё предстоит объяснить эти результаты.

Почти со скоростью света

В четвёртой публикации говорится о процессах на Солнце, ускоряющих частицы до околосветовых скоростей. Достигая нашей планеты менее чем за полчаса, они обрушиваются на космические аппараты. Подобные потоки частиц могут повредить электронику и изрядно подпортить здоровье межпланетных путешественников.

С расстояний, на которых обычно наблюдается Солнце, практически невозможно различить выбросы таких частиц по отдельности из-за изменений, которые происходят с частицами на пути через космические просторы. Поэтому "Паркер" стал первым зондом, предоставившим такую информацию.

"Что удивительно, даже в условиях минимума солнечной активности Солнце генерирует гораздо больше крошечных энергетических событий, чем мы когда-либо думали", – делится соавтор исследования Дэвид МакКомас (David McComas) из Принстонского университета в Нью-Джерси.

Кроме того, учёные получили новые данные о рождении выбросов корональной массы – гораздо более медленных, но и более массивных облаков плазмы, исторгаемых Солнцем.

Бурные потоки

Наконец, астрофизики обнаружили, что солнечный ветер вблизи звезды "взбаламучен" в гораздо большей степени, чем считалось. Для специалистов не новость, что поток солнечного ветра – турбулентный, то есть бурный, неспокойный, с то и дело меняющимися характеристиками. Но выяснилось, что его турбулентность вблизи орбиты Земли – ароматные цветочки по сравнению со спелыми ягодками того, что творится непосредственно у светила.

"Мы обнаружили остатки структур [из внешних слоёв] Солнца, выброшенных в космос, которые резко меняют структуру потоков [плазмы] и магнитного поля. Это кардинально изменит наши теории о том, как нагревается корона и солнечный ветер", – утверждает Джастин Каспер.

Всё только начинается

У зонда впереди ещё более двадцати погружений в солнечную корону. С каждым разом он будет подходить всё ближе к светилу. Команда проекта надеется получить огромное количество бесценной информации о нашей звезде.

"Эти первые данные от "Паркера" демонстрируют нам нашу звезду, Солнце, с новых и удивительных сторон, – резюмирует Томас Цурбухен (Thomas Zurbuchen), заместитель администратора Дирекции научных миссий НАСА. – Наблюдение за Солнцем вблизи, а не с гораздо большего расстояния, даёт нам беспрецедентный взгляд на важные солнечные явления и то, как они влияют на нас на Земле, и даёт нам новое понимание [свойств] активных звёзд в галактиках. Это только начало невероятно захватывающих времён для гелиофизики с "Паркером" в авангарде новых открытий".