Преди година соларната сонда "Паркър" на НАСА стартира в космоса, като скоро се превърна в единственото човешко творение, стигнало толкова близо до Слънцето.
Сондата "Паркър" извърши три от 24-те планирани близки прелитания през короната на Слънцето и с авангардните си научни инструменти за измерване на средата около космическия кораб се гмурна в никога неизследвани части от атмосферата на нашата звезда.
Сондата на НАСА събра впечатляващ масив от данни от разстояние само 24 милиона километра от Слънцето. Тази информация позволи на физиците да открият източника на частиците на слънчевия вятър, които непрекъснато проникват в земната атмосфера, създавайки цветни полярни сияния и в някои случаи увреждащи електрическите и телекомуникационни мрежи, да открият странните промени в магнитното поле на нашата звезда, както и да намерят гробището на комети и астероиди.
На 4 декември 2019 г. заедно в пресконференцията бяха публикувани четири нови статии в списание Nature, които описват какво научиха учените от това безпрецедентно проучване на нашата звезда - и какво очакват с нетърпение да научат по-нататък. Констатациите на учените са представени от четири ( 1 , 2 , 3 , 4 ) статии в списанието Nature.
Тези открития разкриват нова информация за поведението на частиците, които се изхвърлят от Слънцето, като приближават учените до отговорите на основните въпроси за физиката на нашата звезда. Информацията, която откри "Паркър" ще помогне на учените да пренапишат моделите, които използват, за да разберат и прогнозират космическото време около нашата планета и да разберат как се образуват звездите и еволюират, а също и да се изработи защита за астронавтите и технологиите в космоса.
Макар че може да ни се струва спокойно оттук, на Земята, на Слънцето се развиват бурни процеси. Нашата звезда е с активно магнитно поле, което отприщва мощни потоци от частици, движещи се близо до скоростта на светлината и милиарди тонове облаци от намагнетизиран материал. Цялата тази активност се отразява на нашата планета, разпръсква опасни частици в пространството, където летят нашите сателити и астронавти, нарушавайки комуникациите и навигационните сигнали и дори - когато е интензивна - може да прекъсне електрозахранването. Това се случва през целия 5-милиарден живот на Слънцето и ще продължи да оформя съдбите на Земята и другите планети в нашата Слънчева система в бъдеще.
„През 1859 г. на Слънцето се случи голямо изригване, което изключи телеграфните мрежи в цяла Европа и Северна Америка, а през 1972 г. морските мини в Северен Виетнам се взривиха заради слънчева буря. Днес нашето общество е много по-технологично отпреди половин век, комуникационните мрежи и енергийната система на нашата планета са изключително сложни, следователно една мощна намеса на Слънцето би представлявала потенциално много сериозна опасност. Но ако се научим как да прогнозираме космическото време, можем предварително да изключим или изолираме части от електрическата мрежа и сателитните системи, които могже да бъдат уязвими“, отбелязва Стюарт Бейл (Stuart Bale) от Калифорнийския университет в Бъркли (САЩ), водещ автор на едно от проучванията.
Обратни превключвания в магнитните полета на слънчевия вятър
Наблюдаван в близост до Земята, слънчевият вятър е сравнително равномерен поток от плазма, със случайни турбулетни неравномерности. Но до този момент слънчевият вятър е изминал около 150 милиона км - и следите от точните механизми на Слънцето за ускоряване на слънчевия вятър са заличени. По-близо до източника на слънчевия вятър, Parker Solar Probe видя много по-различна картина - това е сложна, активна система.
Подобно на самото Слънце, слънчевият вятър е съставен от плазма, където отрицателно заредените електрони се отделят от положително заредените йони, създавайки море от свободно плаващи частици със свой собствен електрически заряд. Тези свободно плаващи частици означават, че плазмата има електрически и магнитни полета и промените в плазмата често оставят следи върху тези полета. Инструментите FIELDS на сондата изследват състоянието на слънчевия вятър, като измерват и внимателно анализират как се променят електрическите и магнитните полета около космическия кораб с времето и заедно с това измерват вълните в близката плазма.
Тези измервания показаха бързи промени в магнитното поле и внезапни, по-бързо движещи се струи материал - всички характеристики, които правят слънчевия вятър по-турбулентен. Тези подробности са от ключово значение за разбирането как вятърът разпръсква енергия, изтичайки от Слънцето и преминавайки през цялата Слънчева система.
Едно събитие в частност привлече вниманието на научните екипи - обръщането на посоката на магнитното поле, което изтича от Слънцето, вградено в слънчевия вятър. Тези огъвания - наречени "обратни превключвания" (switchbacks) - траят от няколко секунди до няколко минути, докато преминават над соларната сонда "Паркър". По време на обратните превключвания магнитното поле се огъва обратно, почти директно обратно към Слънцето. Наборът от инструменти за слънчевия вятър измерва тези обратни превключвания.
Соларната сонда "Паркър" е наблюдавала обратни превключвания (switchbacks) - разпространяващи се смущения в слънчевия вятър, които заставят магнитното поле да се огъне наобратно - все още необяснено явление, което може да помогне на учените да открият повече информация за това как слънчевият вятър се ускорява от Слънцето. Кредит: NASA's Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez
Точният източник на обратните превключвания все още не е разбран, но измерванията на Parker Solar Probe позволиха на учените да ограничат възможностите.
Коронални дупки и слънчев вятър
Една от основните цели на соларната сонда Parker Solar Probe е да открие източника на „бавния“ слънчев вятър и как се ускорява в горещата атмосфера.
Слънчевият вятър се състои от заредени частици, главно протони и хелиеви ядра, носещи се по линиите на магнитното поле на нашата звезда. Известно е, че така нареченият „бърз“ слънчев вятър, преодоляващ разстояние от 500 до 1000 километра за една секунда, тръгва от големи дупки в слънчевата корона на северния и южния полюс. Но произходът на "бавния" поток от частици, който е по-плътен, но е с половината на скоростта на "бързия", остава загадка, докато данните от първия перихелий (оттогава сондата има още два близки до Слънцето) не разкриха неизвестна досега физика.
„Видяхме магнитната структура на короната, която ни показва, че слънчевият вятър възниква и в малки коронални дупки; видяхме огромни пробиви в линиите на магнитното поле, които според нас са свързани със слънчевия вятър; видяхме нестабилност - самият газ е нестабилен и генерира вълни самостоятелно. А също бяхме изненадани от свирепата прашна среда във вътрешната хелиосфера“, добавя Стюарт Бейл.
„Тъй като орбитата на соларната сонда "Паркър" съвпада с въртенето на Слънцето, можехме да наблюдаваме изтичането на материал в продължение на дни и да наблюдаваме развитието на структурите“, разказва Ръс Хауърд (Russ Howard), главен изследовател за пакета инструменти WISPR. „Наблюденията в близост до Земята ни накараха да мислим, че фините структури в короната се вливат в плавен поток, а сега установяваме, че това не е вярно. Това ще ни помогне да направим по-добро моделиране на това как се променят явленията, пътувайки между Слънцето и Земята.“
По време на всеки близък подход до Слънцето сондата се задържа цяла седмица над коронална дупка, която излъчва частици слънчев вятър по линиите на магнитното поле, като дава на инструментите на борда на соларната сонда "Паркър" безпрецедентен поглед върху случващото се на и под повърхността на звездата.
Благодарение на паралелното картографиране на Слънцето от други космически кораби, физиците успяха да проследят слънчевия вятър и магнитните полета обратно до източника - коронални дупки близо до екватора. Това даде убедителни доказателства, че те са източниците на "бавния" поток от частици, ускорен от магнитните явления.
„Пълна изненада бе серията от „магнитни присъединявания“ близо до Слънцето. Тези събития продължават само няколко минути, но освобождават много енергия, ускорявайки слънчевия вятър в дълги „тръби“, приблизително равни на диаметъра на Земята, до скорости, по-високи от предвидените модели“, заяви Стюарт Бейл.
Без прах близо до Слънцето
Соларна сонда показа, че космическият прах (илюстриран тук) - разпръснат из цялата ни слънчева система - започва да се разрежда близо до Слънцето, подкрепяйки идеята за обширнаа зона без прах близо до Слънцето. Кредит: NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger
Друг въпрос, приближаващ се до отговора си, е неуловимата зона без прах. Слънчевата ни система е затрупана от прах - космическите трохи от сблъсъците, образували планети, астероиди, комети и други небесни тела преди милиарди години. Учените отдавна подозират, че в близост до Слънцето този прах ще се нагрява до високи температури от мощна слънчева енергия, превръщайки го в газ и създавайки зона без прах около Слънцето. Но никой не бе я наблюдавал досега.
За първи път инструментите на Parker Solar Probe видяха, че космическият прах започва да изтънява. Тъй като инструментът WISPR е отстрани на космическия кораб, той може да наблюдава широки ивици от короната и слънчевия вятър, включително региони, по-близки до Слънцето. Тези изображения показват, че прахът започва да изтънява на малко над 11 милиона км от Слънцето и това намаляване на праха продължава стабилно до текущите граници на измерванията на WISPR на малко над 6.5 милиона км от Слънцето.
Енергийни частици
И накрая инструментите на "Паркър" са измерили няколко никога невиждани събития толкова малки, че всички следи от тях се губят, преди да стигнат до Земята. Тези инструменти измерват също рядък тип изхвърляне на частици с особено високо съотношение на по-тежки елементи - което предполага, че и двата вида събития могат да бъдат по-чести, отколкото учените смятаха по-рано. Слънчевите високоенергийни частици са важни, тъй като могат да възникнат внезапно и да доведат до условия в близост до Земята, които могат да бъдат потенциално вредни за астронавтите. Разплитането на източниците, ускорението и транспортирането на слънчеви енергийни частици ще ни помогне да защитим по-добре хората в космоса в бъдеще.
„Изследването на слънчевия вятър от Земята е като изследване на източника на водопад близо до дъното, където турбуленцията крие това, което се случва на върха. Но сега с помощта на сондата се приближаваме все по-близо до върха на водопада и можем да видим скритата структура“, коментира Стюарт Бейл.
През следващите пет години соларната сонда Паркър ще продължи да прави нови открития, когато се приближава до Слънцето, като в крайна сметка ще достигне почти шест милиона километра от повърхността му. През това време нашата звезда ще влезе в по-активната фаза от своя единадесетгодишен цикъл, така че през следващите години можем да очакваме още по-впечатляващи резултати.
