Самая мощная вспышка на Солнце. Что она вызывает?

Что вызывает самые мощные вспышки на Солнце? У ученых наконец-то есть ответ

Исследователи обнаружили ранее неизвестный тип чрезвычайно энергичных частиц в верхних слоях атмосферы Солнца, что позволило выявить явление, которое ранее не было обнаружено.

Ученые, изучающие Солнце, сообщают, что им удалось выявить важный источник мощных гамма-лучей, испускаемых во время самых сильных солнечных вспышек.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Astronomy, группа ученых из Центра солнечно-земных исследований Нью-Йоркского технологического института (NJIT-CSTR) обнаружила ранее неизвестную группу высокоэнергетических частиц в верхних слоях атмосферы Солнца. По всей видимости, именно эти частицы являются источником загадочных радиационных сигналов, которые ученые наблюдали во время крупных солнечных вспышек на протяжении многих лет.

Исследователи проследили источник сигналов до небольшой, сконцентрированной области солнечной короны во время мощной вспышки класса X8.2, произошедшей 10 сентября 2017 года. В этой области они обнаружили огромное количество частиц с энергией в несколько миллионов электронвольт (МэВ), что намного превышает уровень энергии, обычно ассоциируемый с солнечными вспышками, и движущихся со скоростью, близкой к скорости света.

Ученые считают, что эти частицы испускают гамма-лучи в результате процесса, известного как тормозное излучение. В ходе этого процесса легкие заряженные частицы, такие как электроны, при столкновении с веществом в атмосфере Солнца высвобождают высокоэнергетическое излучение.

По словам исследователей, это открытие помогает ответить на давние вопросы о том, как во время солнечных вспышек генерируется экстремальное излучение. Кроме того, оно может привести к созданию более точных моделей поведения Солнца, что в конечном итоге позволит улучшить прогнозирование космической погоды.

«Мы знали, что солнечные вспышки генерируют уникальный гамма-лучевой сигнал, но сами по себе эти данные не могли указать на его источник или на то, как он был сгенерирован, говорит Грегори Флейшман, профессор физики в NJIT-CSTR и ведущий автор исследования. Без этой важной информации мы не могли бы понять, какие частицы являются источником излучения, и оценить его потенциальное влияние на космическую погоду. Объединив гамма-лучевые и микроволновые наблюдения за солнечной вспышкой, мы наконец смогли решить эту загадку».

Объединение космических и наземных наблюдений

Чтобы определить источник излучения, исследователи из Нью-Йоркского технологического института объединили данные о вспышке 2017 года, полученные с помощью двух взаимодополняющих инструментов: космического гамма-телескопа «Ферми» и усовершенствованной системы радиотелескопов Expanded Owens Valley Solar Array (EOVSA) в Нью-Йоркском технологическом институте, расположенной в Калифорнии.

Телескоп «Ферми» зафиксировал детальные измерения высокоэнергетических гамма-лучей, испускаемых во время вспышки. В то же время система EOVSA сделала микроволновые снимки, которые показали, в каких областях солнечной короны движутся заряженные частицы.

Проанализировав оба набора данных, команда исследователей выявила в солнечной атмосфере область, известную как «Область интереса 3» (ROI 3). Эта область отличалась от двух других, изученных ранее, «Области интереса 1» (ROI 1) и «Области интереса 2» (ROI 2), тем, что в ней наблюдались перекрывающиеся микроволновые и гамма-лучи, указывающие на присутствие необычной популяции высокоэнергетических частиц.

Такое совпадение указывало на уникальную популяцию частиц с энергией в миллионы электронвольт.

«В отличие от обычных электронов, ускоряемых во время солнечных вспышек, число которых обычно уменьшается по мере увеличения их энергии, эта недавно обнаруженная популяция необычна тем, что большинство частиц имеют очень высокую энергию — порядка миллионов электронвольт, при этом электронов с более низкой энергией относительно немного», пояснил Флейшман.

С помощью продвинутого моделирования команда исследователей связала распределение энергии этих частиц напрямую с наблюдаемым гамма-спектром, указав на тормозное излучение высокоэнергетическое свечение, которое обычно возникает при столкновении электронов с солнечной плазмой, — как на неуловимый источник гамма-излучения.

Значение для физики солнечных вспышек

Флейшман также отмечает, что их наблюдения в области ROI 3, расположенной вблизи областей значительного ослабления магнитного поля и интенсивного ускорения частиц, подтверждают давние теории о том, как солнечные вспышки ускоряют частицы до экстремальных энергий и поддерживают их.

«Мы видим явные доказательства того, что солнечные вспышки могут эффективно ускорять заряженные частицы до очень высоких энергий за счёт высвобождения накопленной магнитной энергии. Затем эти ускоренные частицы превращаются в популяцию с пиком в миллион электронвольт, которую мы обнаружили», сказал Флейшман.

По словам Флейшмана, на данный момент остаются без ответа ключевые вопросы об этих экстремальных популяциях частиц.

В скором времени ответы на некоторые из них могут дать наблюдения с помощью усовершенствованной солнечной обсерватории в долине Оуэнс (EOVSA), которая в настоящее время модернизируется до EOVSA-15. Этот проект, возглавляемый профессором физики в Центре космических технологий Нью-Йоркского технологического института и директором EOVSA Бином Ченом соавтором исследования, финансируется Национальным научным фондом. В рамках проекта обсерватория будет дополнена 15 новыми антеннами и усовершенствованными сверхширокополосными приемниками.

«Одно из главных неизвестных являются ли эти частицы электронами или позитронами, говорит Флейшман. Измерение поляризации микроволнового излучения, возникающего при подобных явлениях, может стать надежным способом их различения. Мы рассчитываем, что вскоре получим такую возможность после модернизации EOVSA-15».