Дожди на Солнце

Мы выяснили, что Солнце сильно влияет на земную и космическую погоду. Но и на самом Солнце погода впечатляет. Вокруг Солнца скапливается сверхгорячая плазма, формируя солнечную корону. Часть этой плазмы покидает корону в виде солнечного ветра, другая выпадает обратно на Солнце в виде осадков.

Хотя существование таких «корональных дождей» предсказывали еще 40 лет назад, только недавно благодаря возросшей мощности наших телескопов мы смогли их увидеть и начали изучать. Их цикл похож на круговорот воды на Земле: влага на поверхности нагревается, испаряется, поднимается ввысь и формирует облака. Охлаждение приводит к конденсации влаги, которая вновь выпадает на поверхность Земли в качестве осадков. Только на Солнце плазма не переходит из жидкого состояния в газообразное, а просто в результате охлаждения падает из короны обратно на поверхность.

Масштабы происходящего поистине грандиозны, а сами эти явления очень быстротечны. «Капли» плазменных дождей размером с целые страны падают с высоты 63 000 км – а это всего лишь в шесть раз меньше расстояния от Земли до Луны.

Иногда в солнечной плазме появляются вихри, в которых магнитные поля скручиваются по спирали и образуют суперторнадо, простирающиеся от поверхности Солнца до верхних слоев атмосферы.

Нарушение принципов термодинамики

Солнечные торнадо – явление само по себе достаточно удивительное. Возможно, они также помогут объяснить одну из самых странных солнечных особенностей: атмосфера Солнца горячее его поверхности. Температура в 5700 К на поверхности выглядит холодной по сравнению с несколькими миллионами градусов, типичными для солнечной короны.

Обычно по мере того, как объект удаляется от источника тепла, он остывает. Чем ближе маршмеллоу к огню, тем оно быстрее поджаривается. Но солнечная атмосфера играет не по правилам. Энергия огибает видимую поверхность Солнца и вливается в его корону.

Значительная ее часть, похоже, поступает из переходной области, отделяющей корону Солнца от хромосферы – следующего атмосферного слоя. Торнадо, дожди, магнитные косы, плазменные струи и странные явления под названием «спикулы» – как полагают, все это играет большую роль в процессе нагревания короны, перенося энергию из нижележащих областей Солнца вверх. Детали происходящего, однако, пока не ясны и ждут своих исследователей.

Полеты к Солнцу

Чтобы решить все эти головоломки, нужно подобраться к Солнцу как можно ближе.

В октябре 2018 года планировали запустить Solar Orbiter (Солнечный орбитальный аппарат) – спутник для исследования Солнца, который разрабатывает Европейское космическое агентство. Он должен подлететь к Солнцу на расстояние 45 млн км и сфотографировать его полюса. Такие снимки, первые в своем роде, помогут ученым выяснить причину возникновения магнитного поля Солнца и, возможно, прольют свет на то, почему северный и южный полюсы так часто меняются друг с другом. Зонд также сможет выявлять начинающийся солнечный ветер, еще не достигший Земли.

Солнечный зонд Parker Solar Probe («Паркер») – автоматический космический аппарат НАСА для изучения внешней короны Солнца – запустили 12 августа 2018 года. Предполагается, что он подлетит к Солнцу на расстояние 6 млн км. Зонд будет приближаться кружным путем, осторожно, подобно тому, как матадор подкрадывается к разъяренному быку. Отчасти это нужно в целях безопасности: по мере приближения аппарата к Солнцу ученые смогут отслеживать возникающие под действием радиации или излишнего нагревания угрозы, которые могут повредить аппарат, и вовремя принимать надлежащие меры. Аппарат семь раз обогнет Венеру, прежде чем выйдет на конечную траекторию. При максимальном сближении зонд промчится мимо Солнца со скоростью 200 км/с. Ученые надеются с его помощью выяснить механизмы нагревания короны и образования солнечного ветра.

Металлы, которых не хватает

Мы не можем подкрасться к Солнцу и оторвать от него кусочек для исследований. Но, тем не менее, у нас есть два способа узнать, из чего оно состоит. Гелиосейсмологи изучают колебания поверхности Солнца и по их виду могут сделать вывод о химическом составе светила. Спектроскописты изучают солнечный свет, пропуская его через высокотехнологичные призмы, и препарируют его на части, выделяя характерные полосы и линии – уникальный штрих-код для идентификации составляющих элементов.

В течение долгого времени эти два метода рисовали одну и ту же картину: Солнце состоит в основном из водорода и гелия, с небольшими вкраплениями других элементов, оставшихся от взрывов более ранних звезд во Вселенной. Астрономы (в отличие от химиков) называют все элементы тяжелее гелия «металлами». Эти элементы содержатся во внутренних областях Солнца и составляют немногим меньше 2 % от его полной массы. Несмотря на то, что металлы находятся в явном меньшинстве, они играют ключевую роль в переброске энергии от ядра в клокочущие слои на поверхности.

Но в начале 2000-х годов случился конфуз. Мартин Асплунд, молодой ученый из Копенгагена, занялся исследованиями движений внешних слоев звезд, чтобы внести необходимые коррективы в расчеты спектров. У него в распоряжении оказался факультетский суперкомпьютер, на котором он построил трехмерную численную модель внешнего солнечного слоя. В 2009 году с помощью этой модели получили неожиданный результат: не хватало четвертой части металлов, на присутствие которых неизменно указывали гелиосейсмические данные.

До сих пор никто не смог опровергнуть результаты Асплунда. В свете полученных им данных приходится пересматривать выводы, касающиеся не только Солнца, но и других звезд, ведь от Солнца, ближайшей к нам и самой досягаемой из звезд, зависит наше понимание и его космических родственников.

Не обошлось и без экзотических решений, предполагающих, что темная материя внутри Солнца поможет согласовать прежние данные с новыми. Но гораздо более правдоподобно следующее предположение. При тех экстремальных температурах и давлениях, которые существуют на Солнце, тяжелые элементы ведут себя иначе, чем мы ожидали, и законы поглощения и излучения для них описываются другими формулами.

Большие надежды на разрешение этой загадки связаны с нейтринным детектором SNO+ (расширенная версия эксперимента в Sudbury Neutrino Observatory – нейтринной обсерватории в Садбери), установленным в Канаде. Обнаружение солнечных нейтрино в настоящее время не является чем-то необычным, но с помощью детектора SNO+ есть надежда поймать слабый сигнал от редких CNO-нейтрино, образующихся в CNO-цикле – термоядерной реакции превращения водорода в гелий, в которой углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. И таким образом можно будет заглянуть в ядро Солнца и оценить содержащееся там количество этих тяжелых элементов.