Солнечные нановспышки

К тому времени, однако, уже было понятно, что химические элементы нельзя вводить произвольно; они образуют строгую последовательность, в которой обнаруживается целый ряд закономерностей, семейств, групп. Куда же поместить короний? Думал об этом и великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев, в следующем 1869 г. предложивший первый вариант периодической таблицы химических элементов. Не найдя для корония лучшего места, он поставил его перед водородом, написав при этом:… Шли годы. В 1895 г. был найден на Земле химический элемент, открытый Пьером Жансеном и получивший, благодаря своему солнечному происхождению, название гелий. А короний всё так же оставался гипотетическим элементом, следов которого не удалось найти ни в земной атмосфере, ни в минералах, и впоследствии он и вовсе исчез из физики. Однако зелёная линия 530,3 нм продолжала назойливо присутствовать во всех оптических спектрах, получаемых в солнечных затмениях.

Наконец, в 1930-х гг. эта линия была обнаружена повторно, но не на Земле и даже не на Солнце, а в далёком космосе — в спектре новой звезды, имевшей температуру излучающего газа в несколько миллионов градусов. Основываясь на этом факте, спектроскописты и астрономы швед Бенгг Элден и немец Вальтер Гротриан доказали, что в короне Солнца на длине волны 530,3 нм светит самое обыкновенное железо, но из-за высоких окружающих температур ионизованное до огромной -13-й степени, то есть потерявшее 12 из своих 26 электронов.

Одна загадка тем самым была решена, но на её место пришла другая. Свет, приходящий к нам от Солнца, со всей очевидностью излучается объектом с температурой поверхности около 5800 К. Солнечная же корона, окружающая этот «холодный» солнечный шар, как выяснилось, раскалена до 2 млн градусов. Термодинамика говорит нам, что тепло не может передаваться от холодного тела к горячему. Солнце всем своим видом показывает обратное. Это же демонстрируют и наблюдаемые звёзды солнечного типа. Все они имеют холодную поверхность и огромную, простирающуюся на миллионы километров, раскалённую внешнюю атмосферу, так называемую корону.

Какая энергия требуется, чтобы нагреть корону и как быстро вообще она остывает? Её тепловую энергию нетрудно посчитать. Известно, сколько электронов и протонов содержится в короне (их, например, можно очень точно «посчитать» во время солнечного затмения, измерив яркость короны в видимой области излучения). Известна и тепловая энергия каждой частицы — её можно определить, зная температуру короны, составляющей 1-2 млн К. Умножив одно на другое, мы получим, что тепла в короне примерно на 1026 Дж. Это, конечно, много. Например, если бы мы начали греть корону, используя всю энергию крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС (а это около 1017 Дж в год), то у нас ушёл бы миллиард лет. Много ли это для Солнца, мы посмотрим чуть ниже, а пока зададимся вопросом: а как быстро остывает корона? Солнце ведь расположено в космосе, то есть в своего рода гигантском термосе. Так может, его корону и не надо греть постоянно, раз она не может остыть? А уж как там она создалась с такой температурой 4 млрд лет назад, можно придумать и потом. К сожалению, это не так. Корона остывает и очень быстро. Остывает она за счёт того, из-за чего она и видна, — за счёт своего излучения. Нетрудно посчитать, что если корону Солнца перестать греть, то она остынет, то есть полностью исчезнет уже через 3-4 ч. Именно за столько времени вся её тепловая энергия высветится в виде излучения. Итак, мы знаем: энергия короны составляет около 1026 Дж энергии и остывает она за 4 ч. Что ж, теперь мы знаем, с каким темпом её надо греть, и можем посмотреть, что же способно обеспечить такой темп.

Вообще говоря, 1026 Дж это много’ для Земли, но очень мало для Солнца. Такую энергию оно излучает всего за секунду, причём в течение уже нескольких миллиардов лет. Но, к сожалению, всё это «холодный» видимый свет. Энергия этих фотонов примерно 1 электрон-вольт (именно такими единицами меряют столь низкие величины, а если перевести их на более привычный язык, то мы получим 1,6* 10 19 Дж). Даже если эти фотоны света будут поглощаться в короне Солнца, нагреть её они смогут только до нескольких тысяч градусов. Стаю быть, как ни заманчиво, но надо искать другие источники энергии, которые формируют «горячее» излучение и горячее вещество. И такие источники есть — это солнечные вспышки. Солнечная вспышка — это солнечный взрыв, но это странный взрыв. На Солнце нет взрывчатки, нет сложной химии. Основные его элементы — это протоны и электроны. Что же там взрывается? Взрываются на Солнце, как ни странно это звучит, электрические токи. С каждым, наверное, случалось: мы входим в тёмную комнату, включаем лампочку, и вдруг хлопок, и она перегорает. Мало кто знает, что только что он полностью повторил, только в микромасштабе, вспышку на Солнце. Заменим провода на гигантские токи протяжённостью в десятки тысяч километров, текущие в атмосфере Солнца, лампочку заменим на область столкновения нескольких токов, а выключатель на магнитный триггер, запускающий процесс саморазрушения данной конфигурации. Включаем. Взрыв. Разлетаются в стороны энергичные частицы, ускоренные до релятивистских энергий, выбрасываются в межпланетное пространство куски солнечной атмосферы, некоторые из которых долетают даже до Земли, клубятся облака раскалённой плазмы с температурой больше 10 млн градусов. Уж если и этим нельзя нагреть корону, то чем же тогда можно! Тем не менее даже такой мощности, как оказывается, не хватает. Дело в том, что корона Солнца остывает уж очень быстро. Если взять период времени продолжительностью 1 год и поделить его на время остывания короны, 4 ч, то получится, что за год корона Солнца может остыть 2200 раз. Солнечные же вспышки, хотя и обладают настолько огромной энергией, что за один раз могут полностью нагреть корону Солнца, происходят всё же довольно редко. Например, за 12 месяцев 2012 г. на Солнце произошло только семь вспышек высшего балла, обозначаемого буквой X (икс). Иными словами, корона Солнца в прошлом году могла быть нагрета большими вспышками семь раз. Если взять вспышки меньшего балла (они обозначаются английской буквой М и для нагрева короны таких нужно 10 штук), то их в 2012 г. было 130 и они могли нагреть корону ещё 13 раз. Возьмём, наконец, самые слабые из надёжно наблюдаемых солнечных вспышек, так называемого класса С. Их для однократного нагрева короны нужно уже не менее 100. Произошло их в 2012 г. 1600 штук, и нагреть корону они, таким образом, могли ещё 16 раз. Складываем полученные значения — 7 + 13 + 16 и получаем, что все наблюдаемые вспышки на Солнце в 2012 г. могли нагреть корону 36 раз. А остыла солнечная корона 2200 раз. Что же грело её в оставшихся 2164 случаях? Внимательный читатель, наверное, уже заметил, что чем более слабые вспышки мы брали, тем выше оказывалось их суммарная эффективность. И это неспроста. Действительно, весь опыт наблюдения Солнца говорит, что, несмотря на то, что крупные, гигантские вспышки привлекают всеобщее внимание, их общий вклад в солнечную активность относительно невелик. Основная энергия выделяется всё же не в них, а в гораздо более скромных событиях, которые часто проходят незамеченными, но в своей сумме превосходят события-гиганты.

Тогда опять же может спросить читатель, не могут ли на Солнце существовать вспышки настолько слабые, что даже сам факт их нельзя зарегистрировать современными инструментами, но суммарная энергия которых в сотни и тысячи раз превосходит энергию больших событий? Именно рассуждая таким образом солнечные астрономы и пришли к понятию «солнечные нановспышки».

Термин нановспышка весьма необычен. В наш век миниатюризации мы постоянно слышим слово «нано» в разных комбинациях: «наномир», «наноэлектроника», «нанотехнологии». Однако что значит «нано», когда мы говорим о таких гигантских объектах, как Солнце? Конечно, по земным меркам, даже нанособытие на Солнце это событие огромного масштаба по меркам Земли. Для сравнения одна солнечная нановспышка даёт столько же энергии, сколько Земля получает от Солнца за одну сотую секунды. Но по меркам Солнца это — событие-карлик. Слово «нано» в данном контексте означает, что энергия, высвобождаемая в данных вспышках, равна одной миллиардной от энергии самой большой вспышки. Или, другими словами, это события, которые примерно в миллион раз слабее, чем вспышки самого низкого из уверенно наблюдаемых классов солнечных вспышек — класса С.

Есть один очень существенный аргумент в пользу того, что данные события действительно существуют. Активность Солнца не является постоянной — она циклически меняется с периодом в 11 лет. Это знаменитый 11 -летний цикл солнечной активности, который отсчитывается с 1749 г. Сейчас, в частности, мы живём в эпоху максимума солнечного цикла с номером 24. Однако, кроме максимумов, в цикле существуют и минимумы — глубокие провалы в солнечной активности, когда на протяжении нескольких месяцев, а иногда и лет, на Солнце вообще не происходит солнечных вспышек. Последний такой провал был на стыке 2008 — 2009 гг. Интересно в этой связи посмотреть на горячую корону Солнца во время солнечного минимума. Что с ней происходит, остывает она, уменьшает свою температуру, может быть, вообще исчезает? Наблюдения показывают, что, с точки зрения температуры, с короной не происходит ничего. Несмотря на полное отсутствие вспышек и каких-либо иных видимых проявлений солнечной активности, она продолжает чем-то греться с тем же темпом, как и во время солнечного максимума. Что это, если не указание на существование скрытого, невидимого, резервуара энергии?

Задача увидеть невидимое — увидеть солнечные нановспышки — одна из самых захватывающих в современной физике Солнца. Проникнуть в солнечный микромир, удалось пока крайне малому числу экспериментов, и, пожалуй, глубже всех смог заглянуть наш российский комплекс космических телескопов ТЕСИС, работавший в 2009 г. на спутнике КОРОНАС-Фотоп.

2009 г. был весьма необычным не только по меркам последних лет, но даже в сравнении со всей более чем 250-летней историей наблюдения солнечных циклов. Солнечная активность в этот год упала до одного из самых низких уровней за всю историю. Такая ситуация, когда на Солнце вообще отсутствует «большая» активность, очевидно, была очень благоприятна для наблюдения и исследования мира слабых солнечных событий: микро- и нановспышек. Гораздо более важным для успеха, однако, оказалось не это, а очень высокая чувствительность научной аппаратуры, которая смогла впервые в мире прямо увидеть события с энергией примерно в 10-100 раз меньшей, чем ранее.

Что же удалось увидеть глазами этих телескопов?

Прежде всего, удалось зарегистрировать в нижней короне Солнца множество (десятки тысяч каждый час) мелкомасштабных всплесков излучения, источники которых имели размер не более 1-2 пикселей изображения (это «всего» 2-4 тыс. км). Продолжительность отдельного всплеска составляла не более 3-5 мин, при том, что продолжительность «больших» солнечных вспышек достигает нескольких часов. Так как прибор имел очень высокое временное разрешение, около 4 с по сравнению с 30-60 с на одновременно работавших зарубежных космических телескопах, то временные профили этих всплесков были прописаны с уникальной детализацией, и, соответственно, была очень точно измерена высвобождаемая в событии энергия. Она составила около 1023-1025 эрг, то есть от 10 10 до 10‘8 энергии большой солнечной вспышки, составляющей до 1033 эрг. Это именно та энергия, которая должна высвобождаться в гипотетических солнечных нановспышках. Достаточно ли, однако, самого факта всплеска излучения, чтобы назвать наблюдаемое событие нановспышкой? Нет, недостаточно. Дело в том, что в физике Солнца вспышкой называется не любое энерговыделение, а только вполне определённой природы — когда энергия солнечного взрыва черпается из энергии магнитного поля и электрических токов. Главный признак вспышки — это изменение магнитной конфигурации той области, где она происходит. Такое изменение говорит, что область действительно отдала часть своей магнитной энергии и была вынуждена перестроиться в конфигурацию с меньшей магнитной энергией. Казалось бы, для событий, размеры которых лежат на пределе пространственного разрешения инструмента, зарегистрировать изменения пространственной структуры вообще будет невозможно. Тем не менее, как минимум, одно надёжное свидетельство удалось получить. В одной из обнаруженных солнечных нановспышек, от 22 ноября 2009 г., изменения магнитной конфигурации оказались настолько сильными, что стали видны на изображении. Две магнитных петли, которые до вспышки были разделены, после неё слились на изображении в одну магнитную конфигурацию. Такой процесс слияния магнитных петель был хо-‘ рошо известен по наблюдениям больших вспышек, но как же удивительно оказалось увидеть его и в солнечном микромире, увидеть, что одни и те же физические принципы повторяются на совершенно разных масштабах пространства.

Увидеть своими глазами нанособытия в короне Солнца — это по-настоящему вдохновляющий результат. Однако как проверить, что они способны играть именно ту роль, которую им отводят, — способны нагревать корону Солнца? Для этого надо было показать как минимум две вещи. Первое, показать, что нановспышек не просто много, а достаточно много, чтобы превосходить по энергии все остальные известные виды вспышек. И второе — убедиться, что нановспышки не просто существуют, а действительно, греют плазму вокруг себя. Обе задачи, учитывая, что наблюдения велись на пределе возможностей инструментов, выглядели как головоломки, но, тем не менее, их удалось решить.

Солнце в минимуме активности

Убедиться, что нановспышек происходит достаточно много, удалось довольно простым, но, вместе с тем, изящным способом. Предположим, что у нас каждую секунду на Солнце происходит некоторое количество вспышек 14,, каждая из которых имеет энергию Е. Тогда за одну секунду они вместе производят И, • Е энергии. Теперь представим, что у нас есть ещё и другой класс более слабых вспышек с темпом И, и энергией в десять раз меньше: 0.1 • Е. Полная энергия в этих слабых вспышках будет равна 0.1 *N3 • Е. Легко понять, что если темп производства слабых вспышек, У2, ровно в 10 раз выше, чем темп больших вспышек М1, то суммарные энергии во вспышках обоих классов будут одинаковы. Если < 10* N5, то большие вспышки доминируют над слабыми событиями и учёт нановспы-щек в проблеме нагрева короны теряет смысл. Таким образом, надо убедиться, что Н, > 10*Ы,. По сути, это и удалось сделать.

Наконец последняя и, возможно, самая интересная задача была зарегистрировать горячую плазму в слабых событиях на Солнце. Достоверно найти на Солнце плазму высокой температуры (в несколько миллионов градусов) весьма непросто. Дело в том, что каким бы прибором вы не наблюдали нашу звезду, почти всегда в полосу пропускания вашего инструмента вместе с излучением от горячей плазмы проникнет и свет «холодных» спектральных линий. Настолько уж плотным является солнечный спектр. Как же отделить излучение горячей плазмы от холодного фона? Здесь на помощь пришла довольно интересная технология — использовать для фокусировки изображения не обычное зеркало, а кристалл кварца. Его решётка имеет столь малые размеры, что способна отражать рентгеновские лучи, а если сделать эту решётку ещё и сферической, то она не просто отразит, но ещё и сфокусирует их не хуже зеркала телескопа. Главное же, что при этом отражена будет только одна спектральная линия, длина волны которой согласуется с периодом кристаллической решётки. Это называется условием Вульфа — Брэгга. Таким непростым способом и удалось получить изображения Солнца в одной единственной линии — иона магния XII с длиной волны 0.842 нм. Линия эта примечательна тем, что светит, только начиная с температур от 4-5 млн градусов. Холодной плазмы на этих изображениях просто нет. Этот прибор и показал, что даже в условиях глубокого минимума солнечной активности 2009 г., когда в течение месяцев на Солнце не было вспышек, в его короне периодически на короткие времена появлялись очень компактные, но, несомненно, горячие источники излучения с температурой не ниже 4 млн градусов. Их удалось отождествить со вспышками очень малой энергии — около 1026-1027 эрг.

нПроникнуть ещё дальше на тот момент не удалось. Солнечная активность уже во второй половине 2009 г. начала расти, и условия для наблюдения нанособытий на Солнце ухудшились. А в конце 2009 г. закончил работать и сам спутник КОРОНАС-Фотон. Но следующий шаг, как мы полагаем, удастся сделать уже очень скоро. В 2015 г. на орбиту Земли должен быть выведен солнечный телескоп нового поколения, который сейчас разрабатывается в Физическом институте Российской академии наук (ФИАН). Телескоп этот сможет впервые в мире разглядеть на поверхности Солнца детали размером около 75 км. Для сравнения телескопы на спутнике КОРОНАС-Фотон видели солнечные объекты, начиная с размеров в 1000 км. И тогда, возможно, солнечный микромир раскроется перед нами с новой стороны, быть может в очередной раз перевернув все наши представления о Солнце.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
SQL - 30 | 0,669 сек. | 8.76 МБ