волны в солнечном ветре

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

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.

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.

Ночь на Ла-Пальме. 4,2-метровый телескоп Уильяма Гершеля нацелен на Венеру. В фокусе — экспериментальный поляриметр ExPo, созданный ловить призрачный свет экзопланет.

Кастрюля с кипящей кашей на сильном огне: пузыри выносят крупинки со дна на поверхность. Похожий механизм работает и на нейтронной звезде. Накапливая водород и гелий от соседней звезды, она время от времени устраивает мощный ядерный взрыв — рентгеновскую вспышку.

Маяк посылает сигнал сквозь бурю из собственных зеркал — примерно так ведут себя быстрые радиовсплески, когда пытаются покинуть окрестности магнетара. Магнетар — это нейтронная звезда с магнитным полем в квадриллион раз сильнее земного.

Парадокс молодого солнечного ветра долго не давал покоя гелиофизикам. Измерения показали: вблизи светила протонные пучки не размыты, а сжаты, словно кто-то аккуратно придал им форму головки молотка.

Хлопок в ладоши сжимает воздух, и он разлетается в стороны — простейший удар. В космосе роль ладоней играют взрывающиеся звёзды: их ударные волны резко сжимают газ и запускают хаотическое перемешивание — турбулентность. Но как именно энергия взрыва переходит в вихри разных размеров, долго оставалось загадкой, ведь разглядеть детали в далёких туманностях очень трудно.

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.

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.

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.

Две нейтронные звезды сближаются по спирали, чтобы через мгновение слиться в одну. Их танец длится доли секунды, но перед самым финалом одна из звёзд врезается в магнитную оболочку другой — словно пловец, рассекающий воду и поднимающий волны. В этот миг рождается сложная система токов, уносящих энергию прочь.

Солнечный ветер — не ровный поток, а скорее порывистый. Внутри него протоны и ядра гелия летят не с одной скоростью, а с разбросом, как капли в струе из шланга. Обычно этот разброс описывают простой колоколообразной кривой.

Межзвёздное пространство не пустое: оно заполнено разреженным газом, который местами тёплый, местами холодный. Границы между такими областями напоминают стенки между мыльными пузырями. Когда сверхэнергичная частица — космический луч — налетает на такую стенку, магнитное поле там резко меняется, и частица отскакивает, как мячик от бортика.

Ударная волна в короне Солнца похожа на звуковой удар от самолёта, только вместо воздуха — раскалённая плазма, а вместо звука — скачок плотности и магнитного поля. 10 марта 2024 года такая волна прошла по западной части солнечного диска.

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.

Над поверхностью Солнца висят длинные ленты светящегося газа — стримеры. Они похожи на гигантские арфы, натянутые в короне. Когда по такой ленте пробегает волна, она дрожит и изгибается, как струна после щипка. Долгое время считалось, что такую волну может запустить только очень быстрый выброс вещества — тот, что летит со скоростью более 500 километров в секунду.

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.

Вокруг некоторых тесных двойных звёзд, где белый карлик перетягивает вещество с соседки, астрономы видели светящуюся дугу. Её считали ударной волной — местом, где быстрый звёздный ветер врезается в межзвёздный газ. Но новые наблюдения показывают: дуга не одна.

Рентгеновский пульсар Центавр X-3 — это нейтронная звезда, которая быстро вращается и испускает импульсы рентгеновского света, как маяк. Учёные направили на неё три космических телескопа и изучили поляризацию излучения — то, как колеблется электрическое поле световой волны.

Радиотелескоп ловит сигнал из Крабовидной туманности — и на экране вместо ровной линии появляются светлые и тёмные полосы, как на шкуре зебры. Это излучение пульсара — быстро вращающейся нейтронной звезды, которая осталась после взрыва сверхновой.

Десятое октября 2024 года. Солнце выбросило в сторону Земли облако намагниченной плазмы — и четыре космических аппарата, стоящих в одной точке между Солнцем и Землёй, одновременно записали, как это облако бурлит. Расстояние между крайними зондами — всего 80 радиусов Земли, около полумиллиона километров. По космическим меркам это как четыре буйка в одном порту.

Солнце порой выбрасывает в космос целые облака заряженных частиц. Обычно самые быстрые из них — с наибольшей энергией — прилетают к зонду первыми, как спринтеры на длинной дистанции. Но 5 сентября 2022 года зонд Паркер, который летает ближе всех к Солнцу, поймал нечто странное: частицы средней энергии примчались раньше и быстрых, и медленных.

Космические аппараты Parker Solar Probe и Solar Orbiter летают близко к Солнцу и измеряют солнечный ветер — поток заряженных частиц, который постоянно дует от нашей звезды. В этом ветре встречаются резкие изломы магнитного поля, похожие на букву Z. Сначала казалось, что такие изломы есть только там, где ветер быстрый, а в медленной зоне они исчезают.

В потоке заряженных частиц, который непрерывно дует от Солнца, иногда возникают радиовсплески — короткие мощные сигналы на частоте, которую можно услышать в обычном радиоприёмнике. До сих пор было неясно, как именно в этом потоке рождаются такие сигналы. Теперь приборы на космическом аппарате Solar Orbiter впервые увидели весь процесс своими глазами.

Полное солнечное затмение — редкие минуты, когда Луна закрывает яркий диск Солнца и становится видна его внешняя атмосфера — корона. В белом свете корона протягивается на десятки радиусов Солнца, и на снимках видны тонкие структуры: вихревые кольца, волны, похожие на рябь на воде, и огромные выбросы плазмы.

Внутри планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, тепло не всегда поднимается свободно. Тяжёлые элементы, которых больше в одних слоях и меньше в других, не дают горячей жидкости всплывать. Возникает полуконвекция — перемешивание, при котором тепло и состав распространяются с разной скоростью.

Раскалённый газ, который течёт от Солнца, — это не сплошной поток, а скорее суп из заряженных частиц. В этом супе то и дело закипают волны: электрические поля вспыхивают и гаснут, как рябь на воде от брошенного камня. Одна из таких волн — ионно-ионная акустическая. Она возникает, когда два сорта ионов (атомов, потерявших электроны) движутся с разной скоростью.

В раскалённой плазме — газе из заряженных частиц — хаотичные электрические поля работают как своеобразное сито. Медленная частица окружает себя облаком частиц противоположного заряда — поляризационной «шубой», которая экранирует внешнее поле и не даёт ему воздействовать на частицу.

Солнечный ветер — не спокойный ручей, а бурлящая плазма из заряженных частиц. Зонд Parker Solar Probe, нырнув к самому Солнцу, зарегистрировал два типа волн-размешивателей. Левозакрученные волны, подобно венчику в руке повара, взбивают вещество, когда температура вдоль и поперёк движения различается.

Кора магнетара трескается за миллисекунды. Глубинный сдвиг рождает сейсмические волны, которые бегут по поверхности и встряхивают магнитное поле. Это звездотрясение — как землетрясение, только на нейтронной звезде с полем в квадриллион раз сильнее земного. До сих пор модели возмущений были грубыми: одиночный поворот поверхности или идеализированный импульс.

Над тропической частью Тихого океана давление воздуха дышит с периодами от двух до четырнадцати лет. Барометр на Таити поднимается, а в австралийском Дарвине падает, и весь климат планеты вздрагивает: наступает Эль-Ниньо.