механизм нагрева короны

Представьте гитарную струну, зажатую между двумя порожками. Если ударить по ней, возникнет стоячая волна: одни точки струны колеблются сильно, а другие, узлы, остаются почти неподвижными. Примерно так же ведёт себя хромосфера — слой солнечной атмосферы, зажатый между фотосферой и короной.

Вода в баке крутится со скоростью, близкой к четырём оборотам в секунду, и в ней, как по волшебству, возникает колонна размером с обеденный стол. Вихрь живёт десятки оборотов, хотя всё вокруг него бурлит и дрожит. Откуда берётся такая устойчивость? Секрет в том, что вихрь не изолирован. Его подпитывают волны, которые рождаются у стенок бака и бегут внутрь, как рябь по поверхности пруда.

В кастрюле на плите вода начинает бурлить снизу, задолго до того, как закипит вся. Пузырьки пара поднимаются от дна, хотя сама плита ещё не раскалилась. Примерно так ведёт себя атмосфера Солнца перед вспышкой: потоки вещества устремляются вверх из глубоких слоёв, хотя главный источник нагрева, по прежним представлениям, ещё не включился.

Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, летящих от Солнца. В нём есть два главных компонента: протоны (ядра водорода) и альфа-частицы (ядра гелия, вчетверо тяжелее).

Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, истекающий с поверхности Солнца и заполняющий всю гелиосферу. Это не однородный бриз, а турбулентная среда с вихрями, порывами и зонами затишья.

В солнечной короне — внешней, крайне разреженной и горячей оболочке Солнца — время от времени наблюдается удивительное явление: корональный дождь. Только вместо воды с неба падает плазма — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц.

Солнечная корона — внешняя атмосфера Солнца, разогретая до миллионов градусов. Механизм её нагрева остаётся загадкой. Один из кандидатов — крутильные волны: они закручивают магнитные силовые линии, подобно скручиванию резинового жгута. Такие волны недавно удалось зарегистрировать на новом солнечном телескопе имени Дэниела Иноуэ.

Солнечная корона — внешняя, разреженная и чрезвычайно горячая атмосфера Солнца — живёт своей бурной жизнью. Магнитные поля здесь подчиняются движениям плотной поверхности — фотосферы, но иногда сами переписывают магнитный рисунок.

Солнце — это гигантский котёл, где свет пробивается сквозь толщу раскалённого вещества. На пути к поверхности фотоны (частицы света) то и дело натыкаются на атомы и теряют энергию. Насколько сильно вещество задерживает свет — это «непрозрачность», и от неё зависит, как быстро тепло выбирается наружу.

27 дней на экваторе, 32 у полюсов. Пять суток разницы — и за год экватор убегает вперёд почти на неделю. Газовый шар диаметром 1,4 миллиона километров крутится словно многослойная юла: слои движутся каждый со своей скоростью.

Водопад, который не нагревается от падения, а замерзает, — примерно так ведёт себя газ, стекающий на нейтронную звезду в рентгеновском пульсаре, когда звезда светит тускло. Обычно падающая материя раскаляется добела, но новая работа показывает обратное.

Космологический спор напоминает ситуацию, когда два мастера меряют одну и ту же стену, но получают разную длину. Один использует рулетку, прикладывая её к ближайшим ориентирам — цефеидам (пульсирующим звёздам-маякам) и сверхновым типа Ia (вспышкам умирающих звёзд). У него выходит, что стена растягивается со скоростью 73.5 условных единиц.

Активные ядра галактик (AGN) — главные космические электростанции: их рентгеновская корона в миллионы раз пышет жаром звёздных атмосфер. Но кто зажигает искру? Десятидневная рентгеновская кампания спутников XRISM и XMM-Newton, нацеленных на NGC 3783, дала ответ — это настоящие грозы.

Солнце — гигантский ядерный реактор, который непрерывно шлёт нам свет и тепло. Но есть у него и другая, почти беззвучная почта: каждую секунду сквозь квадратный сантиметр вашей ладони пролетают десятки миллиардов нейтрино — частиц-призраков, рождённых в термоядерном горниле. Большинство из них не оставляют и следа.

Солнечное пятно остывает, и над ним на недели зависает тёмное волокно — протуберанец. Внутри него, как сжатая пружина, прячется магнитное поле. Оно может быть уложено ровными арками, а может — скручено в тугой канат. От этой разницы зависит, когда и как рванёт: канат нестабильнее и готов взлететь при малейшем толчке.

Солнце — кипящий котёл водорода и гелия, где раскалённый газ пойман в магнитные силки. Когда невидимые жгуты пересоединяются, освобождается энергия, сравнимая с миллиардами термоядерных взрывов. Куда она девается?

Два белых листа лежат на солнце — один шершавый, другой гладкий. Какой нагреется меньше? Шершавый рассеивает свет сильнее, и кажется, что он останется прохладнее. Но если покрытие состоит из множества прозрачных стеклянных шариков, логика меняется. Свет блуждает в нём, как в густом тумане, и в какой-то момент перестаёт замечать отдельные капли.

С помощью космического телескопа JWST астрономы выполнили спектроскопический анализ — метод, позволяющий по свету определить химический состав удалённых объектов — кентавра Хирон, ледяного тела с окраин Солнечной системы. Выяснилось, что его газовая активность напоминает слоёный пирог. С поверхности испаряется углекислый газ, формируя верхнюю корку.

Если сунуть в кастрюлю с горячей водой два одинаковых термометра, они покажут одно и то же — и мы успокаиваемся: температура измерена верно. Но в разреженном газе, разогретом до миллионов градусов, этот трюк перестаёт работать. Частицы здесь почти не сталкиваются друг с другом, поэтому самые быстрые электроны уносятся прочь, а медленные скапливаются в центре.

В декабре 2011 года комета Лавджоя совершила дерзкий манёвр — пронеслась сквозь раскалённую корону Солнца. Сразу после этого была зафиксирована вспышка. Учёные проверили гипотезу: могла ли комета спровоцировать этот выброс? Атмосфера Солнца пронизана тугими магнитными петлями — их можно представить как натянутую тетиву лука.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако газа. Она не поглощает его, а наоборот — греет, как утюг, оставленный на мокрой ткани. От неё исходит излучение, и вокруг возникает горячее пятно — область, где температура в сотни раз выше, чем в окружающем космосе.

Крона огромного дерева шевелится на ветру, но корни и ствол скрыты под землёй. На Солнце роль таких невидимых корней играют магнитные поля. Они выходят из глубин, пронизывают всю атмосферу и управляют движением раскалённого газа — плазмы. Увидеть эту связь напрямую очень трудно, особенно в верхних слоях, где магнитные силы должны доминировать над газовыми.

В раскалённой солнечной короне, где температура скачет за миллион градусов, плавают холодные плотные облака — солнечные протуберанцы. Они висят неделями, не падая и не растворяясь, словно айсберги в кипящем океане. Как они там оказались — вопрос, который мучил астрономов десятилетиями.

Фонарь светит сквозь густой туман. Свет рассеивается на каплях воды, и фонарь кажется размытым. Вокруг чёрной дыры происходит нечто похожее: горячий газ, как туман, окутывает её, а рентгеновские лучи из внутренних частей диска пробиваются сквозь это облако. Только «капли» здесь — электроны, а сам «туман» называют короной.

Гигантский котёл с кипящим супом простирается на миллионы световых лет. Это атмосфера скопления галактик Персея — облако раскалённого газа, удерживаемое гравитацией. До недавнего времени астрономы считали, что в центре этого котла газ спокойно остывает, готовясь превратиться в новые звёзды.

Поток раскалённого газа мчится от звезды — и вдруг глохнет, словно налетев на невидимую стену. Именно это увидели исследователи, когда попробовали воспроизвести звёздный выброс в лабораторном масштабе. Они взяли лазер, создали струю плазмы и пустили её через магнитное поле — сначала слабое, а потом сильное, как у многих звёзд.

Радиосигнал летит от Марса к Земле, но по дороге ему приходится пробираться сквозь невидимый «ветер» из заряженных частиц, который дует от Солнца. Этот ветер, как рябь на воде, слегка искажает радиоволны. В октябре 2021 года китайский зонд «Тяньвэнь-1» оказался за Солнцем, и его сигнал прошёл всего в 4,5 радиусах нашего светила — там, где ветер особенно плотный.

Гамма-всплеск — это короткая, но очень мощная вспышка света, какие рождаются при слиянии нейтронных звёзд или коллапсе массивной звезды. Внутри такой вспышки потоки плазмы несутся с огромной скоростью и сталкиваются друг с другом.

Магнитная ловушка в форме бублика удерживает плазму из бора и водорода. Внутри неё температура поднимается выше ста миллионов градусов — жарче, чем в центре Солнца. При такой жаре ядра сталкиваются и сливаются, выделяя энергию.

Радиоволны, проходя сквозь солнечную корону — внешнюю оболочку Солнца, — искажаются точно так же, как дрожит воздух над раскалённым асфальтом. Это марево вызвано бурлящими потоками заряженных частиц — солнечным ветром.

Корона Солнца похожа на лохматый одуванчик: яркие лепестки-петли удерживают горячий газ у поверхности, а между ними в космос уходят длинные разреженные струи. Эти струи — гелиосферный токовый слой — тянутся через всю Солнечную систему. Но как именно плазма переходит из замкнутых петель в открытый поток, оставалось загадкой.

Восемь лет подряд два разных способа измерить температуру солнечной короны дают разные ответы. Один прибор — радиотелескоп в Нансе — видит 600 тысяч градусов. Другой подход — расчёт по тому, как газ распределяется по высоте, — требует 1,5 миллиона. Оба смотрят на одни и те же электроны, но расходятся в 2,4 раза.

Если окружить звезду гигантской оболочкой, мы получим сферу Дайсона — конструкцию, поглощающую всё излучение светила и переизлучающую его в инфракрасном диапазоне, то есть в виде тепловых волн. Такие объекты пока не обнаружены, но астрономы знают: искать их следует именно по этому тепловому сиянию.

Для оксигенного фотосинтеза — процесса, при котором выделяется кислород, — необходимо расщеплять воду. Это можно представить как водяное колесо: чтобы оно вращалось, нужен сильный поток. Свет выполняет роль потока, а фотоны — частицы света — его струи.

Поверхность Солнца кипит, как вода в кастрюле. Горячий газ поднимается, остывает и опускается — это конвекция. Вокруг бурлят магнитные поля, которые рвутся и снова соединяются. В этой суете рождаются спикулы — узкие струи плазмы, которые взлетают на тысячи километров вверх.

Обычная солнечная батарея делает одно дело: светит солнце — течёт ток. А здесь светит солнце, и ток течёт по-разному в зависимости от того, с какой стороны поднести магнит. Слой из молекул фуллерена (похожих на футбольный мяч) работает как посредник: он рождает носители заряда под светом и пропускает через себя электроны с заданным направлением вращения — как будто сортирует их по кручению.

Солнечная вспышка — это как гигантская пружина, которую скручивали, скручивали, а потом она резко распрямилась. Энергия, накопленная в магнитном поле, за минуты выбрасывается в пространство, разогревая плазму до миллионов градусов. Но что именно происходит в этот момент внутри петли раскалённого газа, до сих пор было видно лишь в плоских проекциях. Теперь астрономы собрали трёхмерную картину.

Солнце время от времени выбрасывает в космос огромные облака плазмы — корональные выбросы массы. Внутри этих облаков часто запутаны протуберанцы — более холодные и плотные сгустки вещества. Именно они содержат много нейтральных атомов, которые ярко светятся в определённых линиях.

Солнечная корона — внешняя атмосфера Солнца — простирается на миллионы километров, но увидеть её можно лишь во время полного затмения или с помощью специальных приборов. Обычно о плотности короны судят по тому, как она рассеивает белый свет, но этот способ опирается на упрощения, которые могут искажать результат.

Солнечная вспышка — это как внезапное распрямление туго скрученной пружины. В короне Солнца накапливается энергия в искривлённом магнитном поле, а потом она резко высвобождается, разгоняя частицы и нагревая плазму. Но увидеть, как именно меняется само магнитное поле во время вспышки, удаётся редко: нужны специальные наблюдения.