Защо външната атмосфера на Слънцето е стотици пъти по-гореща от неговата повърхност? Този на пръв поглед парадоксален въпрос озадачава учените от десетилетия. Сега лабораторен експеримент на китайски изследователи хвърля нова светлина върху загадката и разкрива възможен механизъм, чрез който магнитната енергия се превръща в топлина.

Температурата на видимата повърхност на Слънцето е около 5500 °C. Във външната му атмосфера, известна като слънчева корона, обаче тя може да надхвърли един милион градуса по Целзий.

Това противоречи на обичайната ни представа за разпространението на топлината – колкото повече се отдалечаваме от източника ѝ, толкова по-хладно би трябвало да става. При Слънцето обаче е точно обратното.

Учените отдавна се опитват да установят откъде идва енергията, която поддържа толкова висока температура в този разреден външен слой. Съвременните наблюдения постепенно разкриват все повече подробности за неговата структура. Астрономите вече са успели да открият невиждани досега структури в слънчевата корона, но въпросът как точно се нагрява тя остава отворен.

Сега изследователи от Китай са възпроизвели в лабораторни условия процес, който би могъл да даде поне част от отговора.

С помощта на мощни лазери те създават плазма, в която възникват и се разрастват специфични структури. Те сближават магнитни полета и създават условия натрупаната в тях енергия да се освободи под формата на топлина.

Резултатът е впечатляващ: при един от експериментите максималната температура на електроните се оказва почти два пъти по-висока, отколкото при контролния опит.

Коронален дъжд, наблюдаван от Обсерваторията за слънчева динамика на НАСА (Solar Dynamics Observatory) през юли 2012 г. Охлаждащата се плазма се връща към Слънцето, следвайки линиите на магнитното поле. Източник: NASA's Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio/SDO Science Team/Virtual Solar Observatory.

Могат ли безброй миниатюрни изригвания да нагряват слънчевата корона?

Екипът, в който участват Уей Сун от Китайския институт по атомна енергия и Йонгли Пинг от Пекинския педагогически университет, се опитва да разбере как възникват малките, но многобройни освобождавания на енергия на Слънцето.

Според една от водещите хипотези за нагряването на короната важна роля играят така наречените наноизригвания (nanoflares) – изключително малки и краткотрайни събития, при които се освобождава магнитна енергия. Взети поотделно, те са сравнително слаби, но ако се случват достатъчно често, общият им принос би могъл да поддържа огромната температура на слънчевата корона.

Новото изследване се съсредоточава върху един от възможните механизми, които биха могли да предизвикват подобни събития.

За да разберем как работи той, първо трябва да си припомним, че Слънцето се състои от плазма – състояние на материята, в което частиците са електрически заредени. Тази плазма е пронизана от магнитни полета, които оказват огромно влияние върху движението и поведението ѝ.

Когато магнитни полета с противоположна посока се срещнат, техните силови линии могат да променят връзките помежду си. Така част от натрупаната магнитна енергия се освобождава и нагрява частиците в околната плазма.

Явлението е известно като магнитно пресвързване (magnetic reconnection) и се смята за един от основните механизми, стоящи зад различни прояви на слънчевата активност.

То е от съществено значение и за разбирането на механизмите, които предизвикват слънчевите изригвания.

Как се пресъздава слънчев процес с четири лазерни лъча?

За да установят какво може да накара магнитните полета да се сближат и да се пресвържат, учените провеждат експеримент в лазерния комплекс Shenguang-II в Шанхай.

Те насочват четири припокриващи се лазерни лъча към пластмасова мишена, чиято повърхност е покрита с фини вълнообразни неравности.

Лазерните импулси продължават само една милиардна от секундата, но енергията им е достатъчна, за да превърне част от материала на мишената в плазма.

Образувалата се плазма започва да се разширява в околния въздух, който е с много по-ниска плътност. Докато движението ѝ постепенно се забавя, неравностите по границата между двете среди се усилват и прерастват в структури, наподобяващи пръсти и гъби.

Това явление се нарича неустойчивост на Релей–Тейлър (Rayleigh–Taylor instability). То възниква при определени условия на взаимодействие между среди с различна плътност и може да доведе до образуването на подобни характерни структури.

Оказва се, че плазмата създава и собствени магнитни полета около пръстовидните образувания. При съседните структури тези полета са насочени в противоположни посоки.

Компютърните симулации показват, че с разрастването си структурите постепенно доближават магнитните полета едно до друго. Така се създават условия за магнитно пресвързване, при което се освобождава енергия и околната плазма се нагрява.

Температурата достига 820 000 градуса

За да проверят дали именно този механизъм е отговорен за допълнителното нагряване, изследователите повтарят експеримента, но заменят набраздената пластмасова мишена с гладка.

Разликата е съществена. При гладката повърхност плазмата се разширява много по-равномерно, без да образува характерните пръстовидни структури.

След това учените анализират рентгеновото излъчване на плазмата, за да определят температурата на електроните в нея.

При експеримента с набраздената мишена максималната електронна температура достига стойност, съответстваща на около 820 000 °C. При гладката мишена тя е приблизително два пъти по-ниска.

Този резултат показва, че образуването на пръстовидните структури и последвалото взаимодействие между магнитните полета вероятно имат съществен принос за нагряването на плазмата.

Малки плазмени струи, наблюдавани от мисията IRIS на НАСА, дават ценна информация за ролята на магнитното пресвързване при нагряването на външната атмосфера на Слънцето. Източник: NASA's Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio.

Учените провеждат и отделна компютърна симулация, в която изключват възможността за образуване на магнитни полета. При тези условия допълнителното нагряване почти напълно изчезва.

Това е още един силен аргумент в подкрепа на предположението, че именно магнитните взаимодействия играят решаваща роля в наблюдавания процес.

Короналният дъжд може да се окаже важна част от загадката

Но може ли нещо подобно да се случва и на самото Слънце?

Според изследователите необходимите условия биха могли да възникват при явление, известно като коронален дъжд (coronal rain).

При него сравнително хладна и плътна плазма се спуска през по-горещата и разредена слънчева атмосфера. По границите между тези области могат да се създадат условия за развитие на неустойчивост, подобна на наблюдаваната в лабораторията.

Ако това се случва, възникващите структури биха могли да сближават магнитни полета и да предизвикват освобождаване на енергия – същият механизъм, който учените наблюдават в своя експеримент.

Лабораторните опити имат едно особено важно предимство: позволяват да бъдат изучавани процеси, които на Слънцето протичат в толкова малки мащаби и за толкова кратко време, че е изключително трудно да бъдат проследени непосредствено.

Така изследователите могат да променят условията, да проследяват кога магнитните полета се сближават и да измерват колко ефективно освободената енергия нагрява плазмата.

Тези експерименти допълват данните от космическите мисии, които изследват нашата звезда отблизо. Сред тях особено място заема слънчевата сонда „Паркър“ на НАСА, която за първи път в историята навлезе в слънчевата корона и извърши измервания непосредствено в тази екстремна среда.

На крачка ли сме от разрешаването на мистерията?

Колкото и обещаващи да са резултатите, учените подчертават, че лабораторният експеримент не възпроизвежда напълно условията на Слънцето.

Създадената в лабораторията плазма е много по-плътна от тази в слънчевата корона, а процесите протичат за несравнимо по-кратко време от характерното за слънчевите наноизригвания.

За да преценят доколко резултатите могат да бъдат приложени към реалните условия на Слънцето, изследователите сравняват ключови съотношения между физичните величини в двете среди.

Този подход им позволява да установят кои особености на наблюдавания механизъм биха могли да се проявяват и в слънчевата корона. Въпреки това експериментът не пресъздава целия процес на натрупване на магнитна енергия в атмосферата на нашата звезда.

Засега резултатите подкрепят съществуването на механизъм, който вероятно има принос за нагряването на короната. Все още обаче не е ясно колко често той се задейства на Слънцето и каква част от огромното количество топлина може да се обясни с него.

За да отговорят на тези въпроси, учените ще трябва да съчетаят нови лабораторни експерименти с още по-прецизни наблюдения.

Напредъкът в тази област вече е значителен. Съвременните телескопи разкриват структури, които доскоро оставаха невидими за астрономите. Благодарение на подобни технологии вече разполагаме и с изключително детайлни изображения на слънчевата корона, които позволяват да се изучава поведението на плазмата в невиждани досега подробности.

Новото изследване все още не разрешава окончателно загадката защо външната атмосфера на Слънцето е толкова по-гореща от неговата повърхност. То обаче предлага убедително обяснение за един от процесите, които биха могли да стоят зад този забележителен феномен.

Изследването е публикувано в научното списание Physical Review Letters.