«Дождь» на Солнце? Ученые впервые засняли плазменный «ливень» и тончайшие структуры короны

27 май 2025, 20:15

Солнце — наша ближайшая звезда, источник жизни на Земле, и, казалось бы, изучено вдоль и поперек. Но стоит присмотреться к его огненной «прическе» — короне, как тут же возникает масса вопросов. Эта внешняя часть солнечной атмосферы, видимая нам во всей красе лишь во время редких полных затмений, до сих пор хранит секреты, над которыми бьются лучшие умы планеты. Почему она в сотни раз горячее видимой поверхности Солнца? Какие силы порождают там гигантские выбросы плазмы, влияющие на всю Солнечную систему, включая нашу планету? Ответы, похоже, становятся ближе благодаря технологическому прорыву, о котором и пойдет речь.

Почему Солнце так «стесняется» показывать свою корону?

Представьте, что вы пытаетесь разглядеть мелкие детали на дне бассейна, глядя сквозь колеблющуюся воду. Примерно так же земная атмосфера, с ее постоянной турбулентностью, искажает свет, идущий к нам от далеких объектов, включая наше Солнце. Это явление, знакомое каждому, кто хоть раз летал на самолете и ощущал «болтанку», для астрономов становится настоящей головной болью. Изображения получаются размытыми, смазанными, и множество тонких деталей просто теряются.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Конечно, ученые не сидели сложа руки. Наблюдения во время затмений давали краткие, но ценные мгновения «чистого вида». Однако для систематического изучения этого мало. Космические телескопы, вынесенные за пределы атмосферы, тоже помогают, но наземные обсерватории с их мощными инструментами остаются ключевым звеном. Проблема в том, что разрешение изображений короны, получаемых с Земли, десятилетиями оставалось на уровне, достигнутом еще чуть ли не 80 лет назад — детали мельче тысячи километров были практически неразличимы. А ведь именно в этих «мелочах» могут скрываться ключи к большим загадкам!

«Умное зеркало» против атмосферных помех: знакомьтесь, Cona!

И вот тут-то на сцену выходит технология, способная обмануть саму природу — адаптивная оптика. Если коротко, это система, которая в реальном времени компенсирует искажения, вносимые атмосферой. Ученые из Национальной солнечной обсерватории США (NSO) и Технологического института Нью-Джерси (NJIT) разработали и внедрили на 1,6-метровом Солнечном телескопе Гуда (GST) в Калифорнии уникальную систему под названием «Cona».

Что же это за зверь такой, Cona? Сердце системы — это специальное деформируемое зеркало. Оно способно изменять свою форму с невероятной скоростью — до 2200 раз в секунду! Специальные датчики анализируют приходящий световой фронт, определяют, как именно его исказила атмосфера, и подают команды на зеркало, которое мгновенно «подстраивается», выправляя изображение. Представьте, что у вашего смартфона появился супер-стабилизатор, только он бореКСЯ не с дрожанием ваших рук, а с целым слоем бушующего воздуха над телескопом.

a, Спокойный протуберанец типа «живая изгородь» (18:44:13 28 мая 2024 г.; 1.05 R☉, 350.44°). b, Петлевые структуры у основания извергающегося волокна, демонстрирующие тонкое сплетение в центре, и корональный дождь, исходящий из правого верхнего угла (17:09:52 14 июля 2023 г.; 1.03 R☉, 253.14°). c, Динамический протуберанец с крупномасштабным скручиванием рядом с изливающимся корональным веществом (18:16:13 28 мая 2024 г.; 1.03 R☉, 112.91°). d, Плотный и холодный спокойный протуберанец со сложными внутренними потоками (20:01:36 29 мая 2024 г.). Каждый кадр имеет ширину около 37 500 км (52 arcsec). Квадраты в центре кадров обозначают поле зрения датчика волнового фронта (16 arcsec). Все изображения получены с помощью инструмента VIS в центре линии Hα на GST. a, c и d были обработаны методом спекл-реконструкции45, что улучшило соотношение сигнал/шум. Видимые плитки являются артефактами этой реконструкции и появляются там, где локальные средние яркости были восстановлены некорректно. На изображении b среднее значение восьми кадров, откалиброванных только по темному полю и плоскому полю, было далее обработано с помощью многомасштабной гауссовой нормализации47 для отображения тусклого коронального дождя вместе с яркой петлевой структурой. Свидетельства наличия вещества на дифракционном пределе в необработанных изображениях, скорректированных адаптивной оптикой, показаны на Extended Data Fig. 1 (здесь и далее обращаться к оригинальному исследованию). Использовалась искусственная раскраска, так что более темные цвета соответствуют большей интенсивности. Изображения полнокадровые, но ориентированы для лучшего визуального восприятия. Supplementary Videos 1 и 2 представляют собой анимации изображений c и d. Масштабные линейки имеют толщину 0.2 arcsec. Цитирование: Schmidt, D., Schad, T.A., Yurchyshyn, V. et al. Observations of fine coronal structures with high-order solar adaptive optics. Nat Astron (2025). https://doi.org/10.1038/s41550-025-02564-0
Автор: Schmidt, D., Schad, T.A., Yurchyshyn, V. et al. Источник: www.nature.com

Это не первая попытка применить адаптивную оптику в солнечной астрономии. С начала 2000-х она успешно используется для изучения поверхности Солнца, позволяя телескопам достигать их теоретического предела разрешения. Но корона — орешек покрепче. Она гораздо тусклее диска Солнца, и «поймать» нужные детали для коррекции было значительно сложнее. Система Cona стала настоящим прорывом именно для наблюдений короны, закрыв многолетний технологический пробел. Результат? Разрешение деталей в короне скакнуло с тех самых 1000 километров до впечатляющих 63 километров! Это как пересесть с велосипеда на гоночный болид.

А что там видно? Неожиданные детали солнечной «кухни»

И что же увидели ученые, когда «туман войны» рассеялся? Картина открылась поистине завораживающая.

Во-первых, это «корональный дождь». Звучит поэтично, не правда ли? На самом деле, это вполне реальное явление: остывающая плазма в короне конденсируется и буквально «проливается» обратно на поверхность Солнца. Новые изображения показали, что эти плазменные «капли» или, скорее, тончайшие струи, могут быть невероятно узкими — менее 20 километров в поперечнике! Раньше о такой детализации можно было только мечтать.

Во-вторых, удалось заглянуть внутрь солнечных протуберанцев — гигантских арок и петель из плазмы, удерживаемых магнитным полем. Видеозаписи демонстрируют сложные, турбулентные потоки внутри этих структур. Это как увидеть кровеносную систему у гигантского огненного существа.

В-третьих, астрономы стали свидетелями быстрого формирования и коллапса тонкоструктурированных плазменных потоков. Некоторые из этих явлений настолько новы и необычны, что ученые, по их собственному признанию, пока не совсем понимают, что это такое. «Это невероятно увлекательно — построить инструмент, который показывает нам Солнце так, как никогда прежде», — делится эмоциями Дирк Шмидт, один из разработчиков. И с ним трудно не согласиться!

Наконец, еще одна серия наблюдений показала, как магнитное поле Солнца драматически формирует и изгибает протуберанцы, словно невидимый скульптор работает с огненной глиной.

a, Изображение высокого разрешения в линии Hα, полученное GST с использованием корональной адаптивной оптики, показывающее плазму с температурой от 5 000 до 30 000 K. Плазмоид (1.07 R☉, 81.34°) выделен пунктирным прямоугольником и показан в увеличенном виде на Рис. 3. b, Контекстное изображение, полученное SDO/AIA на длине волны 30.4 нм, показывающее плазму с температурой 50 000 K и вещество неудавшегося извержения. Прямоугольники на изображениях b и c обозначают область изображения a. c, Контекстное изображение, полученное SDO/AIA на длине волны 9.4 нм, показывающее излучение вспышки на стадии затухания при температуре 6 миллионов кельвинов. d, Изображение крупным планом скрученного плазмоида, полученное SDO/AIA на длине волны 19.3 нм. AIA имеет разрешение 1.5 arcsec. Это изображение похоже на то, как выглядело бы изображение в Hα без адаптивной оптики при хороших условиях видимости (r0 = 9 см). Поле зрения датчика волнового фронта указано на изображении a. Структура, видимая этим датчиком, несколько отличается из-за более широкой полосы пропускания Hα в этом устройстве. Изображения были получены между 18:51:47 и 18:51:53 18 июля 2023 г. Использовалась искусственная раскраска, и более темные цвета на изображении a соответствуют большей интенсивности. Supplementary Video 3 представляет собой анимацию этого рисунка. Цитирование: Schmidt, D., Schad, T.A., Yurchyshyn, V. et al. Observations of fine coronal structures with high-order solar adaptive optics. Nat Astron (2025). https://doi.org/10.1038/s41550-025-02564-0
Автор: Schmidt, D., Schad, T.A., Yurchyshyn, V. et al. Источник: www.nature.com

Зачем нам эти «мелочи»? Большие загадки и космическая погода

Может показаться, что все эти тонкие нити плазмы и крошечные «капли» — удел узких специалистов. Но это не так. Детальное понимание этих, казалось бы, мелких процессов — ключ к решению фундаментальных вопросов солнечной физики.

Главная загадка — нагрев короны. Почему внешняя атмосфера Солнца разогрета до миллионов градусов, в то время как его видимая поверхность имеет температуру «всего» около 5500 градусов Цельсия? Это как если бы пламя свечи было холоднее воздуха вокруг него — парадокс! Ученые давно подозревают, что ответ кроется в сложных взаимодействиях плазмы и магнитных полей на малых масштабах. Новые данные от Cona дают бесценный материал для проверки существующих теорий и построения новых.

Другой важный аспект — космическая погода. Мощные выбросы плазмы из короны, солнечные вспышки — все это напрямую влияет на Землю. Они могут вызывать геомагнитные бури, нарушать работу спутников, систем связи, навигации и даже энергосистем на поверхности. Чем лучше мы понимаем механизмы, запускающие эти события, тем точнее сможем их прогнозировать и готовиться к их последствиям. Ведь солнечные «чихи» могут аукнуться нам вполне серьезными проблемами.

a, Поствспышечные корональные петли (NOAA 13697; 17:34:30 29 мая 2024 г.; 1.03 R☉, 109.94°; ориентированы радиальным направлением вверх). b, Увеличенное изображение области 1 на рис. a с поперечным сечением через узкие структуры. c, Аппроксимация наблюдаемой интенсивности вдоль поперечного сечения на рис. b с помощью нескольких гауссиан по сравнению с гауссовой функцией рассеяния точки, ограниченной дифракцией. d, Спектры мощности наблюдений GST в направлениях, параллельных и перпендикулярных солнечному лимбу. e, Гистограмма аппроксимированных ширин волокон с использованием нескольких аддитивных гауссовых профилей для всех точек за лимбом, как описано в разделе Methods. Supplementary Video 5 представляет собой анимацию рис. a. Цитирование: Schmidt, D., Schad, T.A., Yurchyshyn, V. et al. Observations of fine coronal structures with high-order solar adaptive optics. Nat Astron (2025). https://doi.org/10.1038/s41550-025-02564-0
Автор: Schmidt, D., Schad, T.A., Yurchyshyn, V. et al. Источник: www.nature.com

Шаг в новую эру: что дальше?

Успех системы Cona на телескопе GST — это только начало. Разработчики уже знают, как преодолеть ограничения, накладываемые нижними слоями атмосферы, и планируют применить эту технологию на еще более мощном инструменте — 4-метровом Солнечном телескопе имени Дэниела К. Иноуэ на Гавайях. Это крупнейший солнечный телескоп в мире, и с новой адаптивной оптикой он сможет разглядеть еще более мелкие детали в солнечной атмосфере.

«Это технологическое достижение меняет правила игры, — уверен Дирк Шмидт. — Предстоит многое открыть, когда вы увеличиваете разрешение в 10 раз». И действительно, есть все основания полагать, что новая технология будет принята на вооружение обсерваториями по всему миру. Как метко выразился Филип Р. Гуд, один из соавторов исследования, «с вводом в эксплуатацию корональной адаптивной оптики начинается новая эра в физике Солнца, сулящая еще множество открытий в предстоящие годы и десятилетия».

Так что же это значит для нас с вами? Это значит, что мы стоим на пороге удивительных открытий о нашем дневном светиле. Каждый новый снимок, каждая видеозапись, полученная с помощью таких технологий, как Cona, приближает нас к пониманию сложных процессов, бушующих в сердце нашей Солнечной системы. А понимание — это первый шаг к тому, чтобы научиться жить в гармонии с нашей звездой, такой привычной и такой загадочной одновременно. Кто знает, какие ещё сюрпризы приготовило нам Солнце, и какие «капли дождя» мы сможем разглядеть в его огненной короне завтра? Пожалуй, это одна из тех научных историй, за развитием которой стоит следить с неослабевающим интересом.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник