Решены загадки полутени солнечных пятен и длинного минимума активности Солнца

Очень немногие астрономы осмеливаются заняться физикой Солнца. Причину этого очень ясно сформулировал австралийский астрофизик Герэйнт Льюис: «Какую бы теорию для процессов на Солнце ты ни придумал, наверняка уже есть данные, которые ее опровергают». Близость нашего светила позволяет в мельчайших подробностях разглядеть процессы на его поверхности, и теория, претендующая на истинность, должна их все объяснить. Но процессы эти настолько сложны, что их целостного понимания нет ни у одного ученого в мире. Сам Льюис, кстати, физикой Солнца не занимается.

Однако если не получается понять, это еще не конец света. И уж точно не конец науке. Можно с помощью мощных компьютеров попробовать смоделировать процессы на Солнце, благо принципиальные физические основы происходящего люди понимают. А можно поискать какие-то скрытые до поры связи между наблюдаемыми характеристиками Солнца. И можно надеяться, что со временем придет и целостное понимание – ну или хотя бы привычка к непонятным законам. Она, как показывает опыт живущих от сессии до сессии студентов, неплохо заменяет понимание.

На прошедшей неделе ученые из США и Германии совершили два важных прорыва по обоим направлениям. Астрофизики под руководством Матиаса Ремпеля построили первую полноценную модель радиальных течений замагниченной плазмы в солнечных пятнах; результаты этой работы приняты к публикации в Science. А Рэйчел Хоуи и Фрэнк Хилл заметили странную заторможенность в миграции струйных течений под поверхностью Солнца, о которой доложили на конференции Американского астрономического общества в Колорадо. Похоже, что эта заторможенность имеет прямое отношение к затянувшемуся без всякой меры нынешнему минимуму солнечной активности.

Магнитные затычки

Пятна на Солнце, открытые еще Галилеем, – лишь внешний признак сложных процессов под поверхностью светила, в которых ключевую роль играют его магнитные поля. Вещество представляет собой плазму – газ заряженных частиц, движение которых определяет не только давление, но и магнитные и электрические поля. При этом и сами движения частиц рождают магнитное поле, так что механическое перемещение плазмы и движение линий индукции магнитного поля оказываются жестко, но сложно связаны.

Теперь представьте, что эта адская смесь еще и непрерывно бурлит, как вода в чайнике, так что отдельные сгустки плазмы поднимаются вверх, а другие снова тонут. При сильном увеличении на ней можно даже увидеть грануляцию – самоорганизующиеся ячейки перемешивания, в центре которых поднимается очень горячее вещество, а по краям опускается чуть менее горячее. Именно таким, как говорят физики, конвективным способом энергия ядерных реакций в центре Солнца переносится от его внутренних слоев к поверхности.

Солнечные пятна же возникают, когда на поверхность выходят крупномасштабные жгуты магнитных линий. Вещество может двигаться только вдоль линий, поэтому ему тяжело растекаться в стороны, поддерживая конвективное перемешивание. Возникает своего рода затычка, в районе которой энергия выходит медленнее, а потому вещество разогревается меньше. Температура плазмы в пятнах – примерно 3,5-4 тыс. градусов по Цельсию против 5,5 тыс. градусов в среднем по Солнцу. Это выливается примерно в пятикратное снижение яркости, поэтому с Земли кажется, что пятно темное.

Тем не менее некоторое движение плазмы от центра пятна к краям все-таки происходит. Помимо главной, темной части, так называемой тени, вокруг каждого уважающего себя пятна есть чуть менее темная полутень, яркость в которой лишь на 20-30% ниже средней яркости Солнца. Ровно сто лет назад, в 1909 году, британский астроном Джон Эвершед опубликовал статью, где показал, что вещество в полутени течет от центра к краям (это видно по спектру, в котором из-за эффекта Доплера смещаются линии).

Физико in silico

Матиас Ремпель и его коллеги из американского Национального центра исследований атмосферы и Института исследований Солнечной системы германского Общества имени Макса Планка воспользовались суперкомпьютером, способным совершать 76 трлн операций в секунду, и просчитали трехмерную динамику системы из двух солнечных пятен противоположной полярности. Так как линии индукции магнитного поля всегда замкнуты, то проколовший поверхность Солнца жгут линий должен где-нибудь уйти обратно под поверхность. Именно поэтому крупные пятна почти всегда образуются как минимум парами, а в большинстве случаев есть целые группы пятен, образование которых обусловлено сложной топологией линий.

В машину ученые заложили только глобальную структуру магнитных полей (петлю, протыкающую поверхность в двух пятнах), поток энергии снизу и исходные условия в плазме, после чего позволили системе «плазма–магнитное поле–поле излучения» эволюционировать в течение четырех часов (для этого потребовалось несколько сот часов счета). Обсчет проводился на сетке, состоящей из почти двух миллиардов точек, разбросанных в параллелепипеде со сторонами 98 тыс. км в длину, 49 тыс. км в ширину и 6,1 тыс. км в глубину. Характерный размер этих достаточно крупных пятен – 35 тыс. км (или около 5% радиуса Солнца), магнитное поле в центре – до 0,4 Тл (примерно в 10 тыс. раз сильнее земного).

На результаты моделирования можно полюбоваться в видеоролике. А основные выводы гласят: радиальные течения действительно развиваются сами по себе, без необходимости привносить в модель какую-то дополнительную физику. Течение становится самоподдерживающимся, когда линии индукции наклоняются на более чем 45 градусов к вертикали, при этом оно само по себе разбивается на отдельные тонкие струи. Ну а один из самых главных выводов – компьютеры наконец доросли до способности самосогласованно смоделировать хотя бы небольшую часть солнечной поверхности, воссоздавая наблюдаемые на Солнце структуры из самых первых признаков.

Затянувшийся минимум

До того, чтобы смоделировать все Солнце, еще далеко. Поэтому надеяться, что какая-то компьютерная программа объяснит периодическую природу солнечной активности, пока рано.

Никто не может сказать также, почему так затянулся нынешний минимум солнечной активности. За последние полтора века циклы активности почти всегда перекрывались. Пока два пояса активности одного цикла, родившись в относительно высоких широтах, 11 лет спускались к экватору, на тех же высоких широтах успевали образоваться новые пояса противоположной полярности. Так что пока в районе экватора еще можно было найти хиленькие пятна старого цикла, ближе к полюсам уже вызревали новые.

А последние два года – практически полный нуль. Правда, иногда крохотные пятнышки появлялись, но очень ненадолго; к тому же ни в их появлении, ни в полярности их магнитных полей никакой системы не просматривалось. И лишь прошедшей весной российский спутник «КОРОНАС-Фотон» разглядел свежие магнитные пояса, а совсем недавно вращение Солнца вынесло из-за края светила и первые пристойные пятна нового цикла.

Глубинные причины

По мнению Рэйчел Хоуи и Фрэнка Хилла из американской Национальной солнечной обсерватории, причина этих аномалий находится в нескольких тысячах километров под поверхностью Солнца.

Ученые уже много лет следят за движением солнечных недр, используя методы гелиосейсмологии. Солнце непрерывно «дрожит» на самых разных частотах, да и сами эти дрожания имеют разнообразные конфигурации. За последние десятилетия астрономы научились использовать эти дрожания, чтобы восстанавливать внутреннюю структуру светила – подобно тому, как геологи изучают внутреннее строение Земли, изучая распространение акустических волн от землетрясений и взрывов через ее недра.

Один тип дрожаний называется торсионными осцилляциями. Ученые давно заметили, что Солнце вращается не как твердое тело – период вращения на экваторе почти на треть меньше такового у полюсов. Однако помимо плавного изменения скорости вращения есть и нерегулярные – на каких-то широтах и глубинах скорость может слегка (на несколько процентов) отличаться от средней. Физически это выглядит, как течение струи вещества относительно соседних областей светила.

Как заметили Хоуи и Хилл, одна из таких струй имеет прямое отношение к солнечной активности. Каждые 11 лет вблизи полюсов на глубине в 5-10 тыс. км возникает пара опоясывающих Солнце струйных течений с характерной скоростью 5 м/c. Возникнув, пояса медленно, со скоростью около 6 км/ч, сползают к экватору, и когда достигают «магических широт» в 20-25 градусов, над ними тут же возникают пятна. Отсюда вместе с поясом активности струи продолжают движение к экватору, которое заканчивается через 17 лет после их возникновения. К этому времени в районе полюсов уже успевает родиться пара новых струй.

Струя притормозила

Хотя связь струй с активностью не вызывает сомнений, механизм этой связи остается загадкой. Возможно, оба явления – струйные течения и пояса активности – проявления какого-то третьего, скрытого пока процесса. Однако нынешний затянувшийся минимум указывает на то, что глубинные струи влияют на активность напрямую.

На конференции в колорадском Боулдере Хоуи и Хилл представили коллегам данные, которые явно показывают: сползание струй к экватору в последние несколько лет затормозилось. Примерно в полтора раза – со средних 6 км/ч до 4 км/ч, с бодрой поступи пионерского отряда до прогулочного шага пенсионера. И только теперь этот пояс подполз к «магическим широтам» – и на Солнце как раз появились пятна.

Предсказать дальнейшее движение этого на самом деле широкого -- в тысячи километров -- пояса не представляется возможным, да и измерить скорость его движения не так легко (ученые замечают, не на сколько километров он подвинулся за час, а на сколько десятков тысяч километров сместился за год). Так что предсказать, когда наступит новый максимум солнечной активности и насколько сильным он будет, эти исследования не помогут.

Тем не менее теперь очевидно, что струйные течения – важная часть солнечной активности и любая объясняющая теория солнечных циклов должна включать и эту компоненту. В том, что нынешний затянувшийся минимум заканчивается, сомнений нет. Так что скоро у астрономов появится еще больше данных, способных опровергнуть любую такую теорию.