Енергетичні частинки Сонця (Solar Energetic Particles, SEP), що рухаються у міжпланетному просторі з швидкістю, близькою до швидкості світла, є однією з головних проблем майбутніх польотів людини в космос. Хмари цих крихітних сонячних «снарядів» здатні дістатися до Землі — це 150 мільйони км — менше, ніж за годину. Вони можуть створювати завади для роботи чутливої електроніки космічних апаратів і становити серйозні ризики для пілотованих місій. Але їхню появу дуже важко передбачити, частково тому, що ми досі не знаємо точно, звідки вони походять на Сонці.
Нове дослідження, виконане геліофізиками Девідом Бруксом (David Brooks) з університету Джорджа Мейсона у Вашингтоні та Стефані Ярдлі (Stephanie Yardley) з університетського коледжу Лондона, в якому науковці простежили три сплески SEP назад до Сонця, дало першу відповідь. Результати науковців оприлюднив 3 березня 2021 року журнал Science Advances.
«Ми змогли вперше точно визначити конкретні джерела цих енергетичних частинок», — сказала Стефані Ярдлі. «Виявлення джерел та розуміння фізичних процесів, що спричиняють появу SEP, може дати змогу покращити прогнозування цих подій».
Високоенергетичні частинки можуть виходити з Сонця в будь-якому напрямку; зловити бодай одну з них у міжпланетному просторі — це неабияка вдача. Геліофізичні обсерваторії NASA — космічна флотилія, яка постійно поповнюється новими апаратами, що вивчають Сонце й стратегічно розміщені по всій Сонячній системі, — були розроблені зокрема й для того, щоб збільшити шанс на ці щасливі зустрічі.
Науковці поділили події SEP на два основних типи: імпульсивні та послідовні. Імпульсивні події SEP зазвичай трапляються після сонячних спалахів, яскравих утворень на Сонці, спричинених різкими змінами магнітного поля нашої зорі.
«Існує цей справді різкий стрибок, а потім експоненціальний спад із часом», — сказав Лінн Вілсон (Lynn Wilson), науковий співробітник місії космічного зонда Wind («Вітер») Центру космічних польотів NASA імені Ґоддарда в Грінбелті (штат Меріленд).
Послідовні SEP тривають довше, іноді — днями. Вони поширюються у міжпланетному просторі великими скупченнями, а тому становлять більші ризики для астронавтів і космічних апаратів. Викиди корональної маси (coronal mass ejections, CMEs) — великі шлейфи сонячної речовини, які наша зоря викидає в космос, — підштовхують, наче припливна хвиля, послідовні SEP. Тому поведінка високоенергетичних частинок Сонця нагадує серфінгістів, яких захоплює ця хвиля і розганяє до неймовірних швидкостей.
Найбільша загадка щодо послідовних SEP полягає не в тому, що їх пришвидшує, а в тому, звідки вони беруться. З причин, які досі не повністю зрозумілі, SEP містять не таку суміш частинок, ніж інша сонячна речовина, що витікає із Сонця у вигляді сонячного вітру. В складі SEP, наприклад, менше іонів вуглецю, сірки та фосфору. Деякі науковці припускають, що вони «скроєні» із зовсім іншої «тканини», а тому є проявом якоїсь іншої особливості чи шару Сонця, ніж решта сонячного вітру.
Один із спалахів в активній ділянці AR 11944 у великому масштабі. Він трапився 7 січня 2014 р. і може бути місцем походження SEP, виявлених за допомогою космічного зонда Wind. Фото з сайту www.nasa.gov.
Щоб з’ясувати, звідки беруться SEP, Брукс і Ярдлі простежували явища послідовних високоенергетичних сонячних частинок, зареєстрованих у міжпланетному просторі, із січня 2014 року до моменту їх виникнення на Сонці.
Вони розпочали з аналізу даних, отриманих за допомогою космічного зонда NASA Wind, який міститься в точці L1 Лагранж приблизно на 1,6 мільйонів км ближче до Сонця, ніж Земля. Одним з восьми інструментів цього зонда є прилад «Енергетичні частинки: прискорення, склад і переміщення» (Energetic Particles: Acceleration, Composition, and Transport, або скорочено EPACT), який призначено для виявлення SEP. EPACT захопив три сильні сплески SEP 4, 6 і 8 січня.
Дані Wind показали, що ці події SEP справді мали специфічний «відбиток пальця» — інший набір частинок, ніж зазвичай в сонячному вітрі.
«У SEP часто менше сірки як порівняти з сонячним вітром, іноді набагато менше», — сказав Брукс. «Це унікальний відбиток пальців SEP, який дає нам змогу шукати місця в атмосфері Сонця, де також не вистачає сірки».
Після цього науковці переглянули дані спостережень космічного зонда Hinode — сонячної обсерваторії, що створена Агентством аерокосмічних досліджень Японії (JAXA) та NASA. Брукс є учасником цієї місії від американського космічного агентства. Hinode спостерігав за активною ділянкою (Active Region) 11944, яскравою зоною сильного магнітного поля з великою сонячною плямою, видимою із Землі. На початку січня в AR 11944 відбулося кілька великих спалахів та CMEs, які спричинили появу та прискорили SEP, зареєстровані зондом Wind.
Ультрафіолетовий спектрометр (Extreme Ultraviolet Imaging Spectrometer, EIS) Hinode сканував активну ділянку, розділяючи світло на спектральні лінії, які астрономи використовують для ідентифікації конкретних елементів. Вони шукали місця в активній ділянці з відповідним «відбитком пальця», де суміш елементів узгоджувалася з тим, що вони бачили в даних Wind.
«Цей тип досліджень — саме те, для чого було розроблено Hinode», — сказала Сабріна Севідж (Sabrina Savage), американський науковий співробітник місії Hinode. «Комплексну системну науку не можна робити в обмежених рамках, маючи лише одну місію».
Дані Hinode показали джерело подій SEP — однак це було не те, що очікували виявити Брукс та Ярдлі. Зазвичай сонячний вітер може легше вийти з поверхні Сонця там, де є незамкнуті силові лінії магнітного поля, тобто лінії, в яких тільки один кінець «прив’язаний» до Сонця.
Замкнуті силові лінії магнітного поля виходять і входять назад до Сонця. Натомість незамкнуті силові лінії виходять з Сонця і пролягають в космос. Фото з сайту www.nasa.gov.
«Я справді гадав, що ми знайдемо місце виходу SEP на краях активної ділянки, де магнітне поле вже відкрите, і речовина може виходити безперешкодно», — сказав Брукс. «Але “відбиток пальця” відповідав лише тим частинам активної ділянки, де магнітне поле все ще замкнуте».
Сонячні енергетичні частинки якимось чином проникли крізь сильні магнітні петлі, з’єднані на обох кінцях із Сонцем. Ці петлі затримують речовину біля верхньої межі хромосфери. Це шар атмосфери Сонця, що лежить нижче корони — зовнішнього шару сонячної атмосфери, куди проникають сонячні спалахи і де відбуваються викиди корональної маси.
«Колеги вже розмірковували щодо шляхів, якими SEP могли б виходити із замкнутого поля, зокрема в контексті процесів, що спричиняють появу сонячного вітру», — сказав Брукс. «Але я вважаю, той факт, що речовину виявлено в центрі активної ділянки, де магнітні поля дуже сильні, ускладнює дію цих процесів».
Дивовижний результат породжує нові питання про те, як SEP покидають Сонця. Відповіді на них мають дати майбутні дослідження. Однак визначення джерела навіть однієї такої події — це великий крок вперед.
«Зазвичай ви мали б зробити висновок про подібні речі й сказати: “Дивіться, ми бачили SEP і сонячний спалах одночасно, а тому SEP, мабуть, походить з місця сонячної спалаху”», — сказав Вілсон, який не брав участі в дослідженні. «А це прямий доказ, що пов’язує ці два явища».
Брукс і Ярдлі також продемонстрували один із способів використання геліосферних обсерваторій NASA, поєднавши дані спостережень від кількох космічних зондів, щоб виконати наукову роботу, яку раніше зробити було неможливо.
«Це показує, що слід використовувати всі космічні зонди, які перебувають в польоті. За їх допомогою ви можете виконати комплексне дослідження», — сказав Вілсон. «Це як мати купу метеостанцій — ти починаєш отримувати набагато кращу картину того, якою є погода в більших масштабах, і в тебе є краща можливість її передбачити».
«Ці автори зробили хорошу роботу, поєднавши правильні набори даних і застосувавши їх до правильних питань», — сказала Севідж.
«Пошуки місць походження потенційно шкідливих енергетичних частинок були суттєво звужені завдяки цим зусиллям».
За інф. з сайту www.nasa.gov підготував Іван Крячко
