Паркър Солар Сонп и любопитен случай на горещата корона

НАСА изстреля соларната сонда "Паркър" (Юли 2019).

Anonim

В Слънцето се случва нещо мистериозно. В противоречие с цялата логика, атмосферата му получава много, много по-горещо, колкото по-далеч се простира от пламтящата повърхност на Слънцето.

Температурите в короната - тънкият, най-външен слой на слънчевата атмосфера - скок нагоре от 2 милиона градуса по Фаренхайт, а само на 1000 мили под нея, подлежащата повърхност вибрира на глупав 10 000 Е. Как Слънцето управлява този подвиг остава един от най- въпроси без отговор в астрофизиката; учените го наричат ​​проблемът с короната на отоплението. Нова мисия, която ще се проведе на 11 август 2018 г. в парка, ще бъде да се премине през самата корона, търсейки улики за поведението й и предлагайки на учените възможност да разрешат тази мистерия.

От Земята, както я виждаме във видима светлина, външният вид на Слънцето - спокоен, непроменен - ​​оскърбява живота и драмата на най-близката ни звезда. Неговата бурна повърхност се разтърсва от изригвания и силни изблици на радиация, които хвърлят слънчеви материали с невероятна скорост към всеки ъгъл на слънчевата система. Тази слънчева активност може да предизвика космически метеорологични събития, които могат да нарушат радиокомуникациите, да навредят на спътниците и астронавтите, а в най-тежките случаи да се намесват в електрическите мрежи.

Над повърхността короната се простира за милиони километри, а ролките с плазма, газовете прегряваха толкова много, че се разделят на електрически поток от йони и свободни електрони. В крайна сметка тя продължава навън като слънчевия вятър - свръхзвуков поток от плазма, проникващ в цялата слънчева система. И така, хората живеят добре в разширената атмосфера на нашето Слънце. За да разберем напълно короната и всичките й тайни, трябва да разберем не само звездата, която управлява живота на Земята, но и просто пространството около нас.

150-годишна мистерия

Повечето от онова, което знаем за короната, са дълбоко вкоренени в историята на пълните слънчеви затъмнения. Преди сложни инструменти и космически кораби единственият начин да се изучи короната от Земята беше по време на пълно затъмнение, когато Луната блокира яркото лице на Слънцето, разкривайки заобикалящата го, по-тъмна корона.

Историята на проблема с коронарното нагряване започва със зелена спектрална линия, наблюдавана през цялото затъмнение през 1869 г. Тъй като различните елементи излъчват светлина при характерните дължини на вълната, учените могат да използват спектрометри, за да анализират светлината от Слънцето и да определят неговия състав. Но зелената линия, наблюдавана през 1869 г., не съответства на известни елементи на Земята. Учените си мислели, че вероятно са открили нов елемент и го наричат ​​корониум.

Едва 70 години по-късно шведски физик открива, че елементът, отговорен за емисиите е желязо, прегряван до точката, която е йонизирана 13 пъти, оставяйки го само с половината от електроните на нормален железен атом. И там се крие проблемът: Учените изчислиха, че такива високи нива на йонизация биха изисквали коронарни температури около 2 милиона градуса по Фаренхайт - почти 200 пъти по-горещи от повърхността.

В продължение на десетилетия тази измамно проста зелена линия е мона Лиза на слънчевата наука, объркваща учени, които не могат да обяснят съществуването си. Тъй като идентифицираме източника си, разбрахме, че пъзелът е още по-сложен, отколкото се е появил за пръв път.

"Мисля, че проблемът с корониалното отопление е чадър, който обхваща няколко свързани с объркване проблеми", каза Юстин Каспер, космически учен в Мичиганския университет в Ан Арбър. Каспер също е главен изследовател за SWEAP, кратко за соларните вятърни електрони Alphas и Protons Investigation, инструментален комплект на борда на Parker Solar Probe. "Първо, как се получава короната толкова бързо, но втората част на проблема е, че тя не само започва, продължава, а не само отоплението продължава, но различните елементи се нагряват с различни темпове". Това е интригуващо намек за това, което се случва с отоплението в Слънцето.

От откриването на горещата корона учените и инженерите са свършили много работа, за да разберат поведението си. Те са разработили мощни модели и инструменти и стартираха космически кораби, които наблюдават Слънцето денонощно. Но дори и най-сложните модели и наблюденията с висока резолюция могат само частично да обяснят корониалното отопление и някои теории противоречат помежду си. Съществува и проблемът да се изучава короната от далеч.

Можем да живеем в сложната атмосфера на Слънцето, но короната и слънчевата плазма в пространството в близост до Земята се различават драстично. Отнема бавния слънчев вятър около четири дни, за да достигне 93 милиона мили и да стигне до Земята или космическия кораб, който го изучава - достатъчно време, за да може да се смесва с други частици, които се забиват в пространството и губят определените си характеристики.

Изучаването на тази хомогенна супа от плазма за улики до коронално отопление е като да се изучава геологията на планината, като се пресява през утайката в делтата на реката на хиляди мили надолу по течението. Пътувайки до короната, Паркър Солар Сонп ще изпробва току-що нагрятите частици, премахвайки несигурността при пътуване от 93 милиона мили и връщайки на Земята най-девствените измервания на короната, записвана някога.

"Цялата ни работа през годините достигна до тази точка: осъзнахме, че никога не можем напълно да решим проблема с короната, докато не изпратим сонда, за да направим измервания в самата корона", каза Нур Рауафи, заместник-учен на Parker Solar Probe слънчев физик в лабораторията по приложна физика на университета "Джон Хопкинс" в Лоръл, Мериленд.

Пътуването до Слънцето е идея, по-стара от самата НАСА, но отнема десетилетия, за да се конструира технологията, която прави пътуването възможно. През това време учените са определили точно какви видове данни и съответните инструменти, от които се нуждаят, за да завършат картина на короната и да отговорят на тази крайност на изгарящите въпроси.

Обяснявайки тайните на короната

Parker Solar Probe ще тества две основни теории за обяснение на короналното отопление. Външните слоеве на Слънцето непрекъснато кипват и се въртят с механична енергия. Тъй като огромните клетки на заредената плазма се промъкват през Слънцето - много по-различими са мехурчетата, които се изсипват през саксия с вряла вода - течното им движение генерира сложни магнитни полета, които се простират до короната. По някакъв начин заплетените полета канализират тази свирепа енергия в короната като топлина - как те правят това, което всяка теория се опитва да обясни.

Една теория предлага електромагнитните вълни са коренът на крайната топлина на короната. Вероятно това кипящо движение изстрелва магнитни вълни с определена честота, наречена Алфен вълни - от дълбокото вътре в Слънцето в короната, които изпращат заредените частици да се въртят и да затоплят атмосферата, малко като вълните на океана и да ускорят сърфистите към брега.

Друга предполага експлозии, подобни на бомби, наречени нанофлари, през повърхността на Слънцето в слънчевата атмосфера. Подобно на по-големите си колеги, слънчевите изгаряния, нанофларите се смятат за резултат от експлозивен процес, наречен магнитно възстановяване. Турбулентното кипене на Слънцето се върти и изкривява линиите на магнитното поле, създавайки напрежение и напрежение, докато експлозивно се счупят като счупване на надвита гумена лента, която ускорява и нагрява частиците в съзнание.

Двете теории не са непременно взаимно изключващи се. Всъщност, за да усложнят проблемите, много учени смятат, че и двамата могат да участват в нагряването на короната. Понякога например магнитното свързване, което създава нанофларе, може да стартира и Алфвенски вълни, които след това допълнително обгръщат плазмата.

Другият голям въпрос е колко често протичат тези процеси - постоянно или в отделни изблици? Отговорите, които изискват ниво на детайлност, нямат от 93 милиона мили.

"Отиваме близо до отоплението и има моменти, когато Parker Solar Probe ще се върти или ще обиколи Слънцето със същата скорост, с която се върти Слънцето", каза Ерик Кристиан, космически учен в космическия център Goddard Space Flight Center на НАСА Greenbelt, Мериленд и член на научния екип на мисията. - Това е важна част от науката. Ако се движим над едно и също място, ще видим еволюцията на отоплението.

Разкриване на доказателствата

Веднъж след като Parker Solar Probe пристигна в короната, как ще помогне на учените да разграничат дали вълните или нанофларите задвижват отоплението? Докато космическият кораб носи четири инструментални комплекта за разнообразни видове изследвания, двама по-специално ще получат данни, полезни за решаването на мистерията за отопление на короната: експеримента FIELDS и SWEAP.

Сървейър на невидимите сили, FIELDS, ръководен от Калифорнийския университет, Бъркли, директно измерва електрическите и магнитните полета, за да разбере шоковете, вълните и магнитните събития, които затоплят слънчевия вятър.

SWEAP, ръководен от астрофизичната обсерватория "Харвард-Смитсониън" в Кеймбридж, Масачузетс - е допълнителната половина от разследването, събирайки данни за самата гореща плазма. Той брои най-изобилните частици в слънчевите ветрови електрони, протоните и хелиевите йони - и измерва тяхната температура, колко бързо се движат, след като са били нагрявани и в каква посока.

Заедно двата инструментални пакета нарисуват картина на електромагнитните полета, за които се смята, че са отговорни за отоплението, както и току-що нагряваните слънчеви частици, които се въртят през короната. Ключът към техния успех са измерванията с висока разделителна способност, способни да решават взаимодействията между вълните и частиците само за части от секундата.

Паркър Солар Сонп ще се запъти в рамките на 3, 9 милиона мили от повърхността на Слънцето - и докато това разстояние може да изглежда страхотно, космическият кораб е добре позициониран, за да открива подписите на короналното отопление. "Макар че магнитни събития за възстановяване на времето се случват по-ниско в близост до повърхността на слънцето, космическият кораб ще види плазмата веднага след появата им", каза слънчевият учен Goddard Nicholeen Viall. "Имаме шанс да залепим термометъра си точно в короната и да наблюдаваме повишаването на температурата. Сравнете това с изучаването на плазмата, която беше нагрята преди четири дни от Земята, където са измити много от триизмерните структури и чувствителната към времето информация. "

Тази част от короната е напълно неизследвана територия, а учените очакват забележителности, за разлика от всичко, което са видели преди това. Някои смятат, че плазмата ще бъде мъглявина и слаба, като циркови облаци. Или може би ще изглеждат като масивни структури, подобряващи чистата тръба, излъчващи от Слънцето.

"Сигурен съм, че когато получим този първи кръг от данни, ще видим, че слънчевият вятър на по-ниски височини в близост до Слънцето е остър и импулсивен", казва Стюарт Бейл, калифорнийски университет, Бъркли, астрофизик и FIELDS главен изследовател, "Бих поставил парите си върху данните, които са много по-вълнуващи от това, което виждаме близо до Земята".

Данните са достатъчно сложни - и идват от множество инструменти - че учените ще отделят малко време, за да дадат заедно обяснение за короналното отопление. И тъй като повърхността на Слънцето не е гладка и варира в целия парк, Паркър Солар Сонп трябва да направи няколко прохода над Слънцето, за да разкаже цялата история. Но учените са уверени, че имат инструментите, за да отговорят на техните въпроси.

Основната идея е, че всеки предложен механизъм за отопление има свой собствен отличителен подпис. Ако вълните на Алфвен са източникът на екстремната топлина на короната, полетата ще открият тяхната дейност. Тъй като тежките йони се нагряват с различни скорости, изглежда, че различни класове частици взаимодействат с тези вълни по специфични начини; SWEAP ще характеризира техните уникални взаимодействия.

Ако нанофларите са отговорни, учените очакват да видят струи от ускорени частици, изстреляни в противоположни посоки - сигнал за експлозивно магнитно възстановяване. Когато възникне магнитно възстановяване, те също трябва да откриват горещи точки, където магнитните полета бързо се променят и затоплят обкръжаващата плазма.

Откритията са пред себе си

Съществува блясък и вълнение между слънчевите учени: мисията на Паркър Солар Сон е маргинален момент в историята на астрофизиката и те имат реален шанс да разкрият мистериите, които са объркали областта си за близо 150 години.

Чрез комбинирането на вътрешните работи на короната, учените ще достигнат до по-дълбоко разбиране на динамиката, която предизвиква космически метеорологични събития, оформяйки условия в близкото земно пространство. Но приложенията на тази наука се простират и извън слънчевата система. Слънцето отваря прозорец в разбирането на другите звезди - особено онези, които също показват слънчеви отоплителни звезди, които потенциално биха могли да подпомогнат обитаемата среда, но са твърде далеч, за да учат. И осветяването на фундаменталната физика на плазмите вероятно ще научи учените много за начина, по който плазмите се държат другаде във Вселената, като в клъстери на галактики или около черни дупки.

Също така е напълно възможно, че дори не сме замислили най-големите открития, които да дойдат. Трудно е да се предскаже как решаването на короналното отопление ще премести нашето разбиране за пространството около нас, но фундаментални открития като това имат способността да променят завинаги науката и технологиите. Пътуването на Паркър Солар Сонп извлича човешкото любопитство към невиждания досега район на Слънчевата система, където всяко наблюдение е потенциално откритие.

"Сигурен съм, че ще открием нови феномени, за които сега не знаем нищо и това е много вълнуващо за нас", каза Рауафи. "Паркър Солар Сонп ще направи историята, като ни помага да разберем корониалното отопление - както и ускорението на слънчевия вятър и слънчевите енергийни частици - но мисля, че има и потенциала да насочи посоката на бъдещето на слънчевата физика".

menu
menu