На протяжении десятилетий физики, изучающие Солнце, использовали два конкурирующих подхода к моделированию солнечного ветра. Согласно первому из них, солнечный ветер рассматривается как проводящая жидкость. Для его описания ученые применяют подход, называемый магнитной гидродинамикой, который позволяет анализировать крупномасштабные взаимодействия солнечного ветра с другими магнитными структурами и Солнечной системой в целом.
Однако, если присмотреться к гигантским потокам плазмы, становится очевидно, что они состоят из множества отдельных заряженных ионов, движущихся согласованно. Моделирование этих частиц лежит в основе второго метода описания солнечного ветра. В рамках этой модели протоны и электроны вращаются вокруг силовых линий магнитного поля, испытывая воздействие фундаментальных сил на гораздо более микроскопическом уровне.
Беда в том, что эти две теоретические модели плохо сочетаются друг с другом. Однако понимание того, как эти подходы могут быть связаны, способно помочь физикам ответить на вопрос, который остается открытым уже несколько десятилетий: почему солнечная корона нагрета до миллионов градусов — значительно сильнее, чем поверхность самого Солнца?
Решение этой загадки сводится к вопросу о переносе энергии: если солнечная корона настолько горячая, что-то должно ее нагревать. Чтобы выяснить источник этого тепла, ученые из Брауншвейгского технического университета обратились к понятию «магнитная спиральность». Она характеризует степень закрученности, образования петель и переплетений линий магнитного поля. Важно отметить, что у этого явления есть такая характеристика, как «хиральность», которая играет ключевую роль в понимании процессов на границе раздела сред.
В условиях общего хаоса магнитного поля Солнца эти свойства, как правило, взаимно компенсируются, не оказывая существенного влияния на структуру солнечного ветра. Однако в данных, полученных зондом Parker, исследователи обнаружили нечто совершенно уникальное: на стыке физики жидкостей и физики частиц начинает проявляться отчетливый спиралевидный сигнал. Проанализировав спектры плотности нормализованной магнитной спиральности, ученые выявили характерную пару спиралевидных пиков с противоположным направлением вращения, расположенные вблизи границы, где начинают играть роль кинетические эффекты отдельных частиц.
Продолжив наблюдать за перемещением этих относительно небольших образований в пространстве, ученые обнаружили, что их электромагнитные частоты смещены в низкочастотную область. Такой процесс астрофизики называют «нелокальной эволюцией».
Это означает, что спиральные структуры не просто взаимодействуют с характеристиками окружающей плазмы, а активно связаны со структурами, охватывающими самые разные пространственные масштабы — от колебаний отдельных частиц вплоть до масштабных движений плазменной среды.
Подобная взаимосвязь может быть обусловлена так называемым «барьером спиральности».
В турбулентных плазменных потоках процесс передачи энергии может быть представлен как движение от гигантских вихрей ко всё более мелким ионным пульсациям, в итоге рассеивающимся в виде ничтожно малых количеств тепла. Однако, если такая турбулентная плазма обладает «хиральностью», поток энергии блокируется при достижении «ионной границы» — момента перехода плазмы из состояния сплошной среды в состояние совокупности отдельных частиц. Это препятствует рассеянию энергии и вынуждает магнитные структуры формировать более крупные образования. Некоторые из них мы наблюдаем в солнечной короне в виде гигантских магнитных «изгибов».
Эта закономерность накопления магнитной энергии отчетливо прослеживается в данных, полученных зондом «Паркер». Но как только поток солнечного ветра пересекает гелиосферу — гигантскую «мембрану», разделяющую области с противоположной магнитной полярностью, — структура самого потока нарушается, и спиральные характеристики исчезают.
Все это говорит о том, что в гелиофизике остается еще немало загадок. Тем не менее, подобные исследования позволяют нам увидеть структуру солнечного хаоса гораздо отчетливее, чем когда-либо прежде.
