токовый слой

Четыре свидетеля одного пересечения. 10 ноября 2017 года четыре спутника MMS пролетали сквозь невидимую границу в солнечном ветре, где магнитные силовые линии перестраиваются и выделяют энергию. Это событие называется магнитным пересоединением, и оно происходит в тонком слое, толщину которого обычно оценивают по данным одного аппарата.

По узкой дороге навстречу друг другу идут два каравана. Один — широкий и медленный, везёт груз плотности. Другой — вереница лёгких повозок с током, проскальзывает между первыми. Так в разряде магнетрона сосуществуют две структуры, вращающиеся в противоположные стороны: спица плотности и нити тока.

Внутри солнечной вспышки магнитные линии рвутся, как натянутые резиновые жгуты, и перехлёстываются заново — за минуты высвобождая энергию, которой хватило бы человечеству на миллионы лет. В лаборатории этот процесс, магнитное пересоединение, долго умели лишь запускать, но не останавливать. Теперь у физиков появился рубильник.

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.

Представьте сильно перекрученный телефонный шнур: в какой-то момент он лопается, разбрасывая искры. Похожим образом ведут себя магнитные поля на Солнце — они скручиваются, разрываются и пересоединяются, высвобождая энергию, которая питает солнечные вспышки. Астрономам впервые удалось наблюдать этот процесс напрямую.

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.

Тонкий слой масла на поверхности воды от малейшего толчка рвётся на отдельные капли. Нечто похожее происходит в пульсарном ветре — потоке частиц, который выбрасывает быстровращающаяся нейтронная звезда. В этом потоке тоже есть слои плазмы, и они могут распадаться на сгустки — магнитные острова.

Магнитное поле планеты похоже на невидимый щит: оно ловит заряженные частицы солнечного ветра и вытягивается за планетой в длинный хвост, как развевающийся шарф. У Земли этот хвост устроен просто: в середине, вдоль экватора, течёт слой плазмы — заряженного газа, а по бокам, ближе к полюсам, — почти пустые области, где магнитные линии открыты в космос.

Две нейтронные звезды — это сверхплотные остатки мёртвых светил, каждая размером с город, но тяжелее Солнца. Их существование ещё в 1934 году теоретически предсказал Фриц Цвикки, предположив, что при коллапсе массивных звёзд вещество сжимается до ядерной плотности. Чайная ложка такого вещества весила бы миллиарды тонн.

Космическая плазма — не спокойный газ, а кипящий суп из заряженных частиц, пронизанный магнитными полями. Эти поля ведут себя как натянутые резинки: иногда они рвутся и тут же снова соединяются, но уже по-другому. Этот процесс, который называют магнитным пересоединением, высвобождает огромную энергию.

На Солнце иногда возникают гигантские облака плазмы, которые пытаются вырваться в космос. Но часто им это не удаётся: невидимая магнитная клетка удерживает их у поверхности. Такие неудавшиеся извержения называют «запертыми». Учёные построили компьютерную модель, чтобы понять, как именно работает эта клетка.

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.

Свет падает на тонкую плёнку — и в ней мгновенно возникает электрический ток. Так работает пара из двух материалов: дисульфида молибдена и кобальта. Первый — полупроводник, второй — магнит. Между ними, как выяснилось, рождается невидимая прослойка-посредник.

В плазме, где часть атомов остаётся нейтральной, магнитные силовые линии могут перестраиваться с разной скоростью. Это похоже на две резиновые ленты, которые сначала сцеплены, а потом вдруг расцепляются и сжимаются, высвобождая энергию. В новой работе физики впервые просканировали сразу два параметра: долю ионизованных частиц и частоту столкновений между ионами и нейтралами.

Спокойная река вдруг начинает бурлить на ровном месте — так выглядит загадка, которую разбирали авторы новой работы. Они взяли тонкий слой заряженного газа с очень слабым магнитным полем и проследили на компьютере, что с ним будет. Сначала всё течёт ровно, как вода из крана. Потом в одном месте слой истончается, и магнитные линии, которые раньше лежали параллельно, начинают рваться и пересоединяться.

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.

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.

На Солнце то и дело взлетают узкие струи плазмы — корональные джеты. Они похожи на фонтаны раскалённого газа, которые выбрасываются из атмосферы звезды. Один из таких выбросов, случившийся 10 ноября 2022 года, привлёк внимание учёных: он сопровождался вспышкой класса C1.1 и имел необычно широкий конус.

В кастрюле с кипящим супом мелкие пузырьки бурлят, но постепенно крупные потоки начинают доминировать. Похожее явление происходит в космической плазме, где магнитные поля ведут себя как запутанные нити. В турбулентности магнитная энергия обычно перетекает от крупных масштабов к мелким, но в магнитно-доминирующей среде всё наоборот: энергия идёт от мелких вихрей к крупным.