«Апостериори»: Учёные впервые обнаружили на поверхности Солнца мелкомасштабные плазменные вихри

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Астрономы получили изображения солнечной фотосферы с рекордно высоким пространственным разрешением и обнаружили, что границы магнитных областей покрыты множеством небольших вихревых структур. По мнению исследователей, они возникают из-за неустойчивости Кельвина – Гельмгольца – хорошо известного в гидродинамике процесса, который до сих пор не удавалось непосредственно наблюдать в фотосфере Солнца. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Неустойчивость Кельвина – Гельмгольца возникает на границе двух потоков жидкости или газа, движущихся с разными скоростями. Небольшое возмущение границы между ними начинает увеличиваться и постепенно сворачивается в характерные вихри. Подобные структуры можно наблюдать, например, в атмосфере Земли, в океане и в планетарных магнитосферах. Теоретически такой же механизм должен работать и в плазме солнечной атмосферы, однако раньше разрешения телескопов было недостаточно, чтобы увидеть его непосредственно в фотосфере.

Авторы новой работы использовали четырёхметровый Солнечный телескоп имени Дэниела Иноуэ – DKIST. Наблюдения проводились в апреле 2025 года на длине волны 416 нанометров. Благодаря размеру зеркала и системе коррекции атмосферных искажений исследователям удалось получить изображения с разрешением около 19 километров на поверхности Солнца.

На этих изображениях границы между областями с сильным магнитным полем и окружающей конвективной плазмой оказались не гладкими, как на менее детальных снимках, а покрыты небольшими вихрями и полосами. Учёные проанализировали 47 таких структур. Характерное расстояние между соседними вихрями составляло около 65 километров, а наблюдаемые размеры находились в диапазоне примерно от 25 до 170 километров. Скорость распространения отдельных структур вдоль границ магнитных областей достигала нескольких километров в секунду.

Чтобы проверить природу этих вихрей, исследователи сравнили наблюдения с численным моделированием солнечной атмосферы. Модель показала, что вдоль границ магнитных областей возникают горизонтальные потоки плазмы с резким перепадом скорости. Именно такие условия необходимы для развития неустойчивости Кельвина – Гельмгольца. При этом магнитное поле в исследуемой области было направлено преимущественно вертикально, а поток плазмы – горизонтально. В такой конфигурации магнитное поле значительно слабее подавляет возникновение неустойчивости.

Расчёты также показали, что толщина слоя, в котором резко меняется скорость плазмы, составляет около 12 километров. Согласно теории, при таких параметрах наиболее быстро должны развиваться вихри с характерным расстоянием от 60 до 100 километров. Это хорошо согласуется с наблюдаемым масштабом структур.

Однако значение открытия не ограничивается самим обнаружением нового типа вихрей. В численных моделях они быстро увеличиваются, сливаются друг с другом, а на их границах возникают ещё более мелкие вихревые структуры. Это приводит к развитию турбулентности и интенсивному перемешиванию магнитизированной и относительно слабо магнитизированной плазмы.

Моделирование также показало, что эти вихри существуют не только непосредственно на видимой поверхности Солнца. Они продолжаются на сотни километров в глубину и становятся более выраженными ниже фотосферы. Там неустойчивость может разделять одну крупную магнитную структуру на несколько более мелких. Поэтому область, которая на поверхности выглядит как единая концентрация магнитного поля, под ней может состоять из нескольких отдельных магнитных потоков.

По мнению авторов работы, такие вихри могут постоянно деформировать и переплетать линии магнитного поля. Это важно, поскольку движение и переплетение магнитных структур считается одним из механизмов накопления энергии в солнечной атмосфере. В дальнейшем эта энергия может высвобождаться через магнитное пересоединение и участвовать в образовании вспышек, джетов и других проявлений солнечной активности. Исследователи также предполагают, что подобный процесс может играть роль в передаче энергии в корону Солнца и, возможно, быть связан с механизмами её нагрева.

Новые наблюдения показывают, что даже относительно спокойная фотосфера на масштабах в несколько десятков километров оказывается гораздо более турбулентной и динамичной, чем это было видно при предыдущем поколении солнечных телескопов.