Эксперимент с жидким металлом дает представление о механизме нагрева короны Солнца

Почему солнечная корона достигает температуры в несколько миллионов градусов Цельсия – одна из больших загадок солнечной физики. "Горячий" след в объяснении этого эффекта ведет к области солнечной атмосферы несколько ниже короны, где звуковые волны и некоторые плазменные волны распространяются с одинаковой скоростью. В эксперименте с использованием расплавленного щелочного металла рубидия и импульсных магнитных полей высокой мощности ученые разработали лабораторную модель и впервые экспериментально подтвердили теоретически предсказуемое поведение этих плазменных волн, так называемых волн Альфвена.

О результатах своего исследования они сообщили в журнале Physical Review Letters, рассказывают в Гельмгольц-центре Дрезден-Россендорф (HZDR), Германия.

При температуре 15 миллионов градусов Цельсия, центр Солнца невероятно горячий. На своей поверхности оно излучает свет при сравнительно умеренных 6000 градусах по Цельсию.

«Тем более впечатляет, что температура в несколько миллионов градусов вдруг снова преобладает в находящейся выше короне Солнца», - говорит доктор Фрэнк Стефани. Его команда проводит исследования в Институте динамики жидкости HZDR по физике небесных тел, включая нашу звезду.

Для Стефани феномен нагрева короны остается одной из самых больших загадок солнечной физики, которая постоянно пролетает в его голове в форме очень простого вопроса: «Почему кастрюля теплее печи?»

То, что магнитные поля играют преобладающую роль в нагреве солнечной короны, сейчас широко признано в солнечной физике. Однако остается противоречивым то, связан ли эффект главным образом с внезапным изменением структуры магнитного поля в солнечной плазме или с затуханием разных типов волн.

Новая работа дрезденской команды сосредоточена на так называемых волнах Альфвена, возникающих ниже короны в горячей плазме солнечной атмосферы, пронизанной магнитными полями.

Магнитные поля, действующие на ионизированные частицы плазмы, напоминают гитарную струну, игра на которой вызывает волновое движение. Подобно тому, как высота тона струны увеличивается с ее натяжением, частота и скорость распространения волны Альфвена возрастают с увеличением напряженности магнитного поля.

«Чуть ниже солнечной короны находится так называемый магнитный навес — слой, в котором магнитные поля выравнены преимущественно параллельно поверхности Солнца. Здесь звуковые и альфвеновские волны имеют примерно одинаковую скорость и могут легко превращаться друг в друга. Мы хотели попасть именно в эту волшебную точку — где начинается ударное превращение магнитной энергии плазмы в тепло», — говорит Стефани, очерчивая цель своей команды.

Опасный эксперимент?

Вскоре после предсказания существования в 1942 году, волны Альфвена были обнаружены во время первых экспериментов с жидкими металлами, а позже детально изучены в сложных установках для физики плазмы.

До сих пор недоступными для экспериментаторов оставались только условия магнитного навеса, считавшиеся решающими для нагрева короны. С одной стороны, в больших плазменных экспериментах скорость Альфвена обычно намного выше скорости звука. С другой стороны, во всех проведенных на сегодняшний день экспериментах с жидкими металлами она была значительно ниже. Причина тому: относительно низкая напряженность магнитного поля обычных сверхпроводящих катушек с постоянным полем около 20 тесла.

Но как насчет импульсных магнитных полей, например, тех, которые можно создать в Дрезденской лаборатории высокого магнитного поля (HLD) HZDR с максимальными значениями почти 100 тесла? Это примерно в два миллиона раз превышает силу магнитного поля Земли: позволят ли эти невероятно сильные поля волнам Альфвена преодолеть звуковой барьер? Изучая свойства жидких металлов, исследователи заранее знали, что щелочной металл рубидий на самом деле достигает этой магической точки уже при 54 тесла.

Но рубидий спонтанно возгорает на воздухе и бурно реагирует с водой. Поэтому команда сначала сомневалась, целесообразно ли вообще проводить такой опасный эксперимент.

Сомнения были быстро развеяны, вспоминает доктор Томас Херманнсдорфер из HLD: «Наша система энергоснабжения для работы импульсных магнитов конвертирует 50 мегаджоулей в доли секунды — благодаря этому мы теоретически могли бы заставить коммерческий авиалайнер взлететь за доли секунды. Когда я объяснил своим коллегам, что тысячная часть этого количества химической энергии жидкого рубидия меня не очень волнует, выражения их лиц заметно просветлели».

Импульс через магнитно-звуковой барьер

Тем не менее, путь к удачному опыту был нелегким. Из-за давления, которое до пятидесяти раз превышает давление атмосферного воздуха, создаваемого импульсным магнитным полем, расплав рубидия пришлось поместить в крепкий контейнер из нержавеющей стали, который должен был наполнять находившийся на пенсии опытный химик. Вводя переменный ток на дно контейнера с одновременным воздействием на него магнитного поля, наконец-то стало возможным генерировать в расплаве волны Альфвена, восходящее движение которых было измерено с ожидаемой скоростью.

Новизна: если до напряженности магического поля 54 тесла во всех измерениях преобладала частота сигнала переменного тока, то в этот момент появился новый сигнал с уменьшенной вдвое частотой. Это внезапное удвоение периода полностью согласовывалось с теоретическими прогнозами. Альфвеновские волны команды Стефани впервые преодолели звуковой барьер. Хотя не все наблюдаемые эффекты можно объяснить так просто, эта работа добавляет важную подсказку к разгадке головоломки о нагреве солнечной короны. В будущем исследователи планируют применить детальные численные методы и вести дальнейшие эксперименты.

Исследования механизма нагрева солнечной короны также проводятся в других местах: космические зонды Parker Solar Probe и Solar Orbiter вот-вот должны получить новые знания с близкого расстояния.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.