Пару раз в месяц — иногда больше, иногда меньше — на поверхности Солнца происходит взрыв, выпускающий энергию, эквивалентную взрыву миллиона водородных бомб. Но несмотря на эту невероятную мощь, этот колоссальный выброс энергии не может объяснить, как материал, выброшенный взрывом, разгоняется почти до скорости света. Это как если бы «Феррари» ехал на двигателе от гольф-кара. В новом исследовании ученые впервые заглянули «под капот» солнечных выбросов, конкретно озаботившись физическим процессом, разгоняющим сверхбыстрые частицы.

Взрывы на Солнце

В настоящее время 18 космических миссий NASA посвящены изучению нашей ближайшей звезды и ее влиянию на Солнечную систему. Некоторые из этих спутников почти безостановочно глазеют на Солнце, обеспечивая стабильный поток изображений закрученной поверхности Солнца, 24 часа в сутки 7 дней в неделю.

Когда происходит солнечное извержение, эти спутники также иногда видят невероятно яркие вспышки света — их называют солнечными вспышками. Иногда извержения также выбрасывают облако чрезвычайно горячего и электрически заряженного газа (плазмы) в космос. Это называется выбросом корональной массы, или сокращенно CME.

Солнечный взрыв высвобождает энергию, эквивалентную «миллионам 100-мегатонных водородных бомб», согласно NASA, где сто мегатонн равно сотне миллионов тонн в тротиловом эквиваленте.

Хотя это определенно звучит впечатляюще, трудно представить что-то подобное. Лучший способ понять колоссальный характер таких событий — изучить снимки, сделанные NASA, на которых запечатлены конкретные массивные CME. К примеру, если поместить Землю (в масштабе) рядом с великой пылающей лентой, планета будет похожа на ромашку на фоне огнемета.

Обычно CME движется со скоростью порядка 1,6 миллиона километров в час. Но история запечатлела одну из самых энергетически мощных CME, которая двигалась со скоростью 11,2 миллиона км/ч, говорит Алекс Янг, астрофизик Солнца в Годдарде. Однако эти частицы, рождающиеся в процессе извержения на Солнце, ученые называют «медленными», говорит Янг.

«Быстрые» частицы, обычно называемые солнечными энергетическими частицами (которые не являются частью CME), достигают почти скорости света — 1,079 миллиарда км/ч. Это в 100 раз быстрее частиц CME.

Эти сверхбыстрые частицы наблюдали на видео, сделанных экспериментом Large Angle and Spectrometric Coronograph Experiment (LASCO) спутником SOHO. LASCO блокирует свет Солнца, поэтому может видеть материал, выброшенный CME. На его видео, спустя секунды после того, как облако материала покидает поверхность, белые крапинки статики заполняют экран, иногда совершенно скрывая из виду звезду. Это сверхбыстрые частицы сталкиваются с детектором. Похожие статические бури наблюдаются и другими солнечными спутниками. Статика похожа на снег, и это уместное сравнение, поскольку солнечные события называют «погодой на Солнце».

Но даже самой силы солнечной вспышки недостаточно, чтобы объяснить подобную вспышку энергии, говорит Янг. Как же эти частицы движутся так быстро?

Шокирующе быстро

Когда самолет преодолевает звуковой барьер — физически обгоняет звуковые волны, идущие перед ним — он создает ударную волну и оглушительный звуковой бум. Этот бум свидетельствует о том, что ударная волна является источником энергии.

Бин Чен, ученый из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, ведущий автор новой работы, обеспечивающей первое уверенное свидетельство того, что сверхбыстрые частицы, выпускаемые во время солнечного извержения, ускоряются на границе ударной волны (termination shock).

В солнечных извержениях примечательно то, что, в отличие от большинства взрывов на Земле, в их основе лежит не химия. Эти солнечные бомбы взрываются быстрым высвобождением магнитной энергии. Той же силы, которая крепит магнитик к холодильнику или заставляет стрелку компаса указывать на север.

Солнечные извержения, которые создают солнечные вспышки и CME, происходят, когда одна из линий магнитного поля Солнца прерывается и быстро воссоединяется близко к поверхности. Во время взрыва плазма выбрасывается в пространство, но в остальном стремится к поверхности с невероятной скоростью, где сталкивается с другими петлями магнитного поля — словно водопад, падающий на поверхность пруда. В момент столкновения граница ударной волны порождает электрически заряженную плазму.

«Заряженные частицы, которые преодолевают границу ударной волны, могут подхватывать энергию ударной волны и разгоняться все быстрее. Так работает ускорение», — рассказал Бин Space.com.

Чен и его соавторы нашли доказательство этого во время солнечной вспышки 3 марта 2012 года, используя VLA Карла Янского в Нью-Мексико. Недавно обновленный телескоп было удобно использовать по двум причинам. Во-первых, он обнаруживает радиоволны, а значит, не будет перегружен яркими вспышками света, излучаемого во время солнечной вспышки. Однако изучение солнечной вспышки на радиочастоте позволяет выявить ускорение частиц на границе ударной волны.

Во-вторых, телескоп умеет делать 40 000 снимков в секунду. Делает это он одновременным захватом тысяч радиочастот. Затем эти частоты разделяются на отдельные «изображения». Как рассказал Чен, чтобы увидеть работу ударной волны в действии, потребовалось собирать снимки в течение 20 минут.

«Как вы понимаете, потребовались миллионы и миллионы снимков, чтобы извлечь информацию, — говорит он. — Такую возможность обеспечил обновленный VLA».

Чен также отмечает, что новые выводы совсем не означают, что замедление ударной волны несет ответственность за ускорение частиц во всех солнечных вспышках. Вместе с коллегами он будет проводить дальнейшие наблюдения, чтобы выяснить, подходит ли это объяснение для всех событий.

Объяснение с границей ударной волны было частью «стандартной» теории солнечных вспышек много лет, но требовались более «убедительные» наблюдения, чтобы ее подтвердить. Это подтверждает Эдвард Де Лука, старший астрофизик Смитсоновской астрофизической обсерватории. Де Лука работает в том же отделении, что и Чен, но не участвовал в новом исследовании.

«Новый результат показывает, что мы находимся на правильном пути со стандартной моделью солнечных вспышек», говорит Де Лука.

Ищите мощные частицы

Все эти спутники NASA, изучающие Солнце, не просто создают завораживающие снимки, они также помогают защищать Землю. Солнечные вспышки и выбросы корональной массы представляют опасность для нашей планеты. Частицы, которые они выбрасывают, могут повреждать спутники и солнечные панели, а также представлять серьезную угрозу для космонавтов, осуществляющих внекорабельную активность за пределами Международной космической станции на Луне или Марсе.

Они также могут повреждать энергосети на Земле. В 1989 году CME вызвал блэкаут по всей провинции Квебек в Канаде.

Сверхбыстрые частицы представляют особое беспокойство, поскольку их высокие скорости означают, что они могут проникать через несколько слоев материала, в отличие от их «медленных» коллег. Когда такие частицы проникают в электронику, они могут вызывать «бит-флип», таким образом не только повреждая оборудование, но и внося изменения в его работу.

«Если небольшой бит-флип коснется команды компьютера, которая обычно говорит «делай снимки Солнца», а вместо этого скажет «открыть шлюзы», будет плохо, — говорит Янг. — Поэтому зачастую, если грядет крупное событие с участием частиц, операторы космических аппаратов помещают их в безопасный режим».

Реагировать необходимо быстро. Свет может проходить путь от Солнца до Земли за 8 минут, поэтому солнечные энергетические частицы могут достигать спутников на орбите за 10-20 минут. Корональный выброс оставляет чуть больше времени, но медленное реагирование может привести к серьезным последствиям.

По этой причине ученые пытаются лучше предсказывать, когда произойдут солнечные вспышки и CME и насколько интенсивны они будут.

Де Лука говорит, что новое понимание границы ударной волны вряд ли окажется полезным для прогнозирования в краткосрочном периоде. Но для следующего поколения технологий прогнозирования солнечной погоды — вполне.