Проблема нагрева короны возникла с конца 1930-х годов, когда шведский спектроскопист Бенгт Эдлен и немецкий астрофизик Вальтер Гротриан впервые наблюдали явления в короне Солнца, которые могли присутствовать только в том случае, если ее температура составляла несколько миллионов градусов по Цельсию .
Это означает, что температура в 1000 раз выше, чем температура в фотосфере под ней, которая представляет собой поверхность Солнца, которую мы видим с Земли. Оценка тепла фотосферы всегда была относительно простой: нам просто нужно измерить свет, который доходит до нас от Солнца, и сравнить его с моделями спектра, которые предсказывают температуру источника света.
На протяжении многих десятилетий исследований температура фотосферы неизменно оценивалась примерно в 6000 °C. Открытие Эдленом и Гротрианом того, что корона Солнца намного горячее фотосферы — несмотря на то, что она находится дальше от ядра Солнца, его основного источника энергии, — вызвало у научного сообщества диссонанс.
В 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен предложил объяснение. Он предположил, что намагниченные волны плазмы могут переносить огромное количество энергии вдоль магнитного поля Солнца из его внутренней части в корону, минуя фотосферу, прежде чем взорваться теплом в верхних слоях атмосферы Солнца.
Теория была предварительно принята, но нам все еще требовалось доказательство в виде эмпирических наблюдений, что эти волны существуют. Недавнее исследование, наконец, достигло этого, подтвердив 80-летнюю теорию Альфвена и сделав нас на шаг ближе к использованию этого высокоэнергетического явления здесь, на Земле.
Ученые обратились к свойствам Солнца, чтобы объяснить это несоответствие. Солнце почти полностью состоит из плазмы, которая представляет собой сильно ионизированный газ, несущий электрический заряд. Движение этой плазмы в конвективной зоне — верхней части солнечной недр — производит огромные электрические токи и сильные магнитные поля.
Эти поля затем вытягиваются из недр Солнца за счет конвекции и выходят на его видимую поверхность в виде темных солнечных пятен, которые представляют собой скопления магнитных полей, которые могут образовывать различные магнитные структуры в солнечной атмосфере.
Именно здесь на помощь приходит теория Альфвена. Он рассуждал, что внутри намагниченной плазмы Солнца любые объемные движения электрически заряженных частиц будут нарушать магнитное поле, создавая волны, которые могут переносить огромное количество энергии на огромные расстояния — от поверхности Солнца до его верхних слоев атмосферы. Тепло проходит по так называемым трубкам солнечного магнитного потока, прежде чем прорваться в корону, нагревая ее.
Но оставалась проблема наблюдения за этими волнами. На поверхности Солнца и в его атмосфере происходит так много всего — от явлений, во много раз превышающих размеры Земли, до небольших изменений, которые ниже разрешающей способности наших приборов, — что прямые наблюдения за альфвеновскими волнами в фотосфере не были получены ранее.
Но недавние достижения в приборостроении открыли новое окно, через которое мы можем изучать физику Солнца. Одним из таких инструментов является интерферометрический двумерный спектрополяриметр (IBIS) для спектроскопии изображений, установленный на солнечном телескопе Данна в американском штате Нью-Мексико. Этот инструмент позволил нам проводить гораздо более подробные наблюдения и измерения Солнца.
В сочетании с хорошими условиями просмотра, передовым компьютерным моделированием и усилиями международной группы ученых из семи исследовательских институтов мы использовали IBIS, чтобы окончательно подтвердить, впервые, существование альфвеновских волн в трубках солнечного магнитного потока.
Что дальше?
Прямое открытие альфвеновских волн в фотосфере Солнца — важный шаг к использованию их высокого энергетического потенциала здесь, на Земле. Они могут помочь нам, например, в исследовании ядерного синтеза, который представляет собой процесс, происходящий внутри Солнца, при котором небольшое количество материи преобразуется в огромное количество энергии. На наших нынешних атомных электростанциях используется деление ядер, которое, по мнению критиков, приводит к возникновению опасных ядерных отходов, особенно в случае катастроф.
Создание чистой энергии путем воспроизведения ядерного синтеза Солнца на Земле остается огромной проблемой, потому что нам все еще нужно быстро создать 100 миллионов градусов Цельсия, чтобы синтез мог произойти. Волны Альфвена могут быть одним из способов сделать это. Наши растущие знания о Солнце показывают, что это, безусловно, возможно — при правильных условиях.