Самой вероятной причиной мощных вспышек на Солнце, как показывают новые наблюдения, проведенные с помощью космического аппарата NASA под названием RHESSI, скорее всего являются крупномасштабные разрушения магнитных полей в атмосфере нашего светила.

Взрывы на Солнце, которые называют солнечными вспышками, способны выдавать на-гора количество энергии, эквивалентное миллиардам ядерных бомб мощностью в одну мегатонну каждая. Разрушение магнитных полей - процесс, получивший наименование "магнитные пересоединения" (magnetic reconnection, иначе говоря, быстрая перестройка, перезамыкание магнитных полей, пересоединение линий магнитного поля), - ныне общепризнан в качестве основного механизма, за счет которого солнечные вспышки за столь короткое время могут высвободить такое огромное количество энергии. Однако до последнего времени существовали и другие варианты... Теперь новые данные от RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager - Солнечный спектрограф высоких энергий Рувена Рамати) служат подтверждением того, что крупномасштабные магнитные пересоединения действительно могут считаться самым вероятным сценарием подобных явлений.

"Поиск энергетического источника вспышек напоминает историю, где сельские жители подозревают, что дракон существует, поскольку он ревет где-то там наверху среди ночи, однако никто никогда даже фрагмента этого дракона не видел. Теперь мы увидели этого дракона с обоих концов", - говорит Линьхуй Суй (Linhui Sui) из Католического университета Америки (Catholic University of America, Вашингтон), ведущий автор статьи, посвященной этому исследованию, опубликованной в Astrophysical Journal Letters.

На Солнце, как известно, царят столь высокие температуры, что электроны отрываются от родительских атомов, и материя переходит в принципиально иное состояние, именуемое плазмой, представляющее собой газ электрически заряженных частиц. Поскольку плазму составляют заряженные частицы, она обладает своим собственным магнитным полем, причем солнечные магнитные поля и магнитные поля плазмы согласованы между собой. Когда плазма изгоняется из Солнца, концы ее магнитных линий остаются "привязанными" к поверхности. В результате магнитные линии сильно "вытягиваются", пока, наконец, не порвутся от напряжения (подобно резинке, которую слишком сильно растянули) и не перезамкнутся заново, образовав новую конфигурацию, заключающую в себе уже меньшее количество энергии, - собственно, этот процесс и зовется пересоединением линий магнитного поля.

Тонкий слой, где они повторно соединяются, называют слоем пересоединений (reconnection layer), в этом месте противоположно направленные магнитные поля оказываются достаточно близки друг от друга, чтобы соединиться. Магнитные пересоединения могут питать солнечные вспышки, нагревать атмосферу Солнца до десятков миллионов градусов и разгонять электрически заряженные частицы, из которых состоит плазма (электроны и ионы), до околосветовых скоростей.

При таких высоких температурах солнечная плазма излучает в рентгеновском диапазоне - и RHESSI как раз и наблюдал во время вспышки 15 апреля 2002 года такое высокоэнергетическое рентгеновское излучение, испускаемое плазмой, нагретой до десятков миллионов градусов. Горячая плазма, испускающая рентген, первоначально проявилась как капля на вершине арки над относительно более холодной плазмой, выступающей над поверхностью Солнца в изображениях RHESSI. Магнитные поля непосредственно не видны, однако можно определить их очертания по косвенным признакам - плазма течет по невидимым магнитным полям, отчетливо проявляя их формы.

Все эти структуры, конечно, наблюдались и раньше, но прежние наблюдения не позволяли сделать однозначные выводы, какую именно роль во всем этом деле играют магнитные пересоединения. Новые изображения 20-минутной вспышки, выполненные RHESSI, и особенно те 4 минуты, когда интенсивность вспышки была максимальна, отчетливо выявили два момента, прямо указывающих на роль крупномасштабных магнитных пересоединений.

Во-первых, наблюдался распад первоначальной "капли" на две части (Изображение 2, средний ряд), причем верхняя часть в конечном счете оторвалась от солнечной поверхности и удалилась со скоростью приблизительно 1,1 млн км/ч (Изображение 2, нижний ряд). И действительно, при наличии обширных пересоединений и "вытягивании" магнитных полей слой пересоединений также должен растягиваться, подобно ириске, которую тянут (Изображение 3). Плазма, разогретая в процессе магнитной перестройки, вбрасывается из верхней и нижней границы слоя пересоединения, формируя две рентгеновских капли на изображениях RHESSI, тогда как верхняя и нижняя граница достаточно далеки друг от друга и обособленны; выглядят как две различные области.

Во-вторых, согласно температурным замерам RHESSI, в обеих "каплях" ближайшие к слою пересоединения области были разогреты в наибольшей степени, а самые удаленные области были самые "прохладные". Такое температурное распределение могло ожидаться при условии, что действует именно механизм магнитных пересоединений: в момент, когда магнитные поля "рвутся" и повторно соединяются, близлежащие к области перезамыкания другие магнитные поля также перестраиваются, что приводит к крупномасштабным процессам перестройки. Таким образом, плазма непрерывно нагревается и высвобождает накопленную энергию у слоя пересоединения. Плазменные слои, расположенные ближе всего к области пересоединения, самыми последними испытывают последствия этих процессов, поэтому они самые горячие. А плазма, которая была исторгнута раньше, уже успела охладиться.

"Наличие этих температурных градиентов в горячей плазме было для меня решающим доводом, - заявил доктор Гордон Холман (Gordon Holman) из Центра космических полетов Годдарда (NASA's Goddard Space Flight Center), также принимавший участие в этих исследованиях и являющийся соавтором статьи. - Если бы вспышку снабжал энергией какой-либо другой процесс, то распределение температур в горячей плазме было бы иным... По нашим оценкам, энергия, израсходованная всем человечеством в 2000 году, в 200 раз меньше той энергии, что была высвобождена при разрушении магнитных полей в одной этой наблюдавшейся нами вспышке".

Иллюстрации:

Изображение 1: Магнитное пересоединение.
Две оранжевых линии над поверхностью Солнца представляют собой противоположно направленные магнитные силовые линии, протянутые в солнечную корону. Они постепенно подвигаются друг к другу, и когда они соприкасаются, то лопаются подобно перетянутым резинкам (белая вспышка). Однако в отличие от резинок, разрушенные магнитные силовые линии немедленно повторно соединяются выше и ниже точки разрыва. Этот процесс извлекает энергию, запасенную в магнитном поле, нагревая газ до высоких температур, и ускоряет частицы до высоких энергий. Изображение NASA с сайта www.gsfc.nasa.gov.

Изображение 2:
Псевдоцветные отображения солнечного рентгеновского излучения по данным RHESSI. Белый цвет представляет собой самые яркие области, а синий - самые тусклые. Для каждого ряда собственно изображение RHESSI показано слева, а то же самое изображение с выводом магнитной геометрии показано справа. Сначала наблюдалась арка с горячей каплей на ее вершине (верхний ряд, левое изображение). Капля, возможно, была связана с магнитной X-точкой, где противоположно направленные магнитные поля входят в контакт, когда может произойти пересоединение (верхний ряд, справа). Капля отделилась от арки в тот момент, когда было зафиксировано самое мощное рентгеновское излучение от вспышки (средний ряд, слева). Это разделение было, вероятно, связано с коллапсом магнитной X-точки к узкой области быстрого магнитного пересоединения (средний ряд, справа). Две минуты спустя рентгеновская капля получила мощное ускорение и удалилась от поверхности Солнца (нижний ряд, слева). Это было связано с отбрасыванием верхней магнитной структуры от Солнца и растяжением вверх слоя пересоединения (нижний ряд, справа). Изображение NASA с сайта www.gsfc.nasa.gov.

Изображение 3: Вспышка 15 апреля
Оранжевые линии показывают магнитную структуру, а желтая штриховка представляет собой рентгеновское излучение, регистрируемое RHESSI. Изображение NASA с сайта www.gsfc.nasa.gov.

Источники:
Extensive Destruction Powers Solar Explosions - Goddard Space Flight Center (там же можно посмотреть и соответствующую анимацию)
Sun's Power & Violence Revealed At AGU - NASA Newsroom