Експеримент з рідким металом дає уявлення про механізм нагрівання корони Сонця

Чому сонячна корона досягає температури у кілька мільйонів градусів Цельсія — одна з великих загадок сонячної фізики. “Гарячий” слід у поясненні цього ефекту веде до області сонячної атмосфери трохи нижче корони, де звукові хвилі та деякі плазмові хвилі поширюються з однаковою швидкістю. В експерименті з використанням розплавленого лужного металу рубідію та імпульсних магнітних полів високої потужності вчені розробили лабораторну модель і вперше експериментально підтвердили теоретично передбачену поведінку цих плазмових хвиль — так званих хвиль Альфвена.

Про результати свого дослідження вони повідомили в журналі Physical Review Letters, розповідають у Гельмгольц-центрі Дрезден-Россендорф (HZDR), Німеччина.

При температурі 15 мільйонів градусів за Цельсієм, центр Сонця неймовірно гарячий. На своїй поверхні воно випромінює світло при порівняно помірних 6000 градусів за Цельсієм.

«Тим більше вражає, що температура в кілька мільйонів градусів раптом знову переважає в короні Сонця, що знаходиться вище», - говорить доктор Френк Стефані. Його команда проводить дослідження в Інституті динаміки рідини HZDR щодо фізики небесних тіл, включаючи нашу зірку.

Для Стефані феномен нагріву корони залишається однією з найбільших загадок сонячної фізики, яка постійно пролітає в його голові у формі дуже простого запитання: «Чому каструля тепліша за піч?»

Те, що магнітні поля відіграють переважну роль у нагріванні сонячної корони, зараз широко визнано у сонячній фізиці. Однак залишається суперечливим те, чи пов’язаний  ефект головним чином із раптовою зміною структури магнітного поля в сонячній плазмі чи із загасанням різних типів хвиль.

Нова робота дрезденської команди зосереджена на так званих хвилях Альфвена, які виникають нижче корони в гарячій плазмі сонячної атмосфери, пронизаної магнітними полями.

Магнітні поля, що діють на іонізовані частинки плазми, нагадують гітарну струну, гра на якій викликає хвильовий рух. Подібно до того, як висота тону струни збільшується з її натягом, частота та швидкість поширення хвилі Альфвена зростають зі збільшенням напруженості магнітного поля.

«Трохи нижче сонячної корони знаходиться так званий магнітний навіс — шар, у якому магнітні поля вирівняні переважно паралельно поверхні Сонця. Тут звукові та альфвеновські хвилі мають приблизно однакову швидкість і тому можуть легко перетворюватися одна в одну. Ми хотіли потрапити саме до цієї чарівної точки — де починається ударне перетворення магнітної енергії плазми в тепло», — говорить Стефані, окреслюючи мету своєї команди.

Небезпечний експеримент?

Незабаром після передбачення існування у 1942 році, хвилі Альфвена були виявлені під час перших експериментів з рідкими металами, а пізніше детально вивчені в складних установках для фізики плазми.

Дотепер недоступними для експериментаторів залишалися лише умови магнітного навісу, які вважалися вирішальними для нагрівання корони. З одного боку, у великих плазмових експериментах швидкість Альфвена зазвичай набагато вища за швидкість звуку. З іншого боку, у всіх проведених на сьогодні експериментах з рідкими металами вона була значно нижчою. Причина цього: відносно низька напруженість магнітного поля звичайних надпровідних котушок з постійним полем близько 20 тесла.

Але як щодо імпульсних магнітних полів, наприклад тих, які можна створити в Дрезденській лабораторії високого магнітного поля (HLD) HZDR з максимальними значеннями майже 100 тесла? Це приблизно у два мільйони разів перевищує силу магнітного поля Землі: чи дозволять ці надзвичайно сильні поля хвилям Альфвена подолати звуковий бар’єр? Вивчаючи властивості рідких металів, дослідники заздалегідь знали, що лужний метал рубідій насправді досягає цієї магічної точки вже при 54 тесла.

Але рубідій спонтанно займається на повітрі й бурхливо реагує з водою. Тому команда спочатку сумнівалася, чи взагалі доцільний такий небезпечний експеримент.

Сумніви були швидко розвіяні, згадує доктор Томас Херманнсдорфер з HLD: «Наша система енергопостачання для роботи імпульсних магнітів конвертує 50 мегаджоулів за частки секунди — завдяки цьому ми теоретично могли б змусити комерційний авіалайнер злетіти за частки секунди. Коли я пояснив своїм колегам, що тисячна частина цієї кількості хімічної енергії рідкого рубідію мене не дуже хвилює, вирази їхніх облич помітно просвітліли».

Імпульс через магнітно-звуковий бар'єр

З усім тим, шлях до успішного експерименту був нелегким. Через тиск, що до п’ятдесяти разів перевищує тиск атмосферного повітря, який створюється імпульсним магнітним полем, розплав рубідію довелося помістити в міцний контейнер з нержавіючої сталі, який мав наповнювати досвідчений хімік, який перебував на пенсії. Вводячи змінний струм на дно контейнера з одночасним впливом на нього магнітного поля, нарешті стало можливим генерувати в розплаві хвилі Альфвена, висхідний рух яких був виміряний з очікуваною швидкістю.

Новизна: якщо до напруженості магічного поля 54 тесла у всіх вимірюваннях переважала частота сигналу змінного струму, то саме в цей момент з'явився новий сигнал зі зменшеною вдвічі частотою. Це раптове подвоєння періоду повністю узгоджувалося з теоретичними прогнозами. Альфвеновські хвилі команди Стефані вперше подолали звуковий бар’єр. Хоча не всі спостережувані ефекти ще можна пояснити так просто, ця робота додає важливу підказку до розгадки головоломки про нагрівання сонячної корони. У майбутньому дослідники планують застосувати детальні чисельні методи та поводити подальші експерименти.

Дослідження механізму нагріву сонячної корони також проводяться в інших місцях: космічні зонди Parker Solar Probe та Solar Orbiter ось-ось мають отримати нові знання з близької відстані.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.