В хаотичных потоках плазмы у Солнца нашли скрытый порядок
Международная группа физиков из Брауншвейгского технического университета и Токийского университета впервые напрямую показала, что в турбулентной космической плазме магнитное поле на разных масштабах закручивается в противоположные стороны. К работе присоединились исследователи из университетов Тохоку, Кюсю и Осаки, а также научных центров десяти стран. Статья опубликована в журнале Astrophysical Journal Letters. Авторы опирались на точные измерения магнитного поля и частиц, которые собрал зонд НАСА Parker Solar Probe.
Турбулентность без столкновений
Каждый видел турбулентность в чашке кофе, когда в нее вливают молоко и жидкость расходится причудливыми завитками. Космическая версия этого явления устроена сложнее. Вещество там ионизировано, то есть превратилось в плазму из заряженных частиц, и его движение тесно связано с электромагнитными полями. Вдобавок плазма бесстолкновительная. Она настолько разрежена, что частицы практически не задевают друг друга, и привычные земные законы течения жидкости перестают работать в полную силу.
Поэтому физики до сих пор спорят, как именно плазма переходит в турбулентное состояние и как энергия ее колебаний распределяется между крупными и мелкими масштабами. Этот вопрос остаётся одним из нерешенных в физике космоса.
Где магнитное поле меняет направление вращения
На больших масштабах космическая плазма ведет себя как жидкость. Возникают вихри и электромагнитные волны, колебания становятся случайными, то есть турбулентными. Но вращение магнитного поля случайным не оказалось. Если смотреть от Солнца вдоль радиуса, поля в основном закручиваются против часовой стрелки.
На меньших масштабах картина зеркально меняется, и поля вращаются по часовой стрелке. Граница между двумя режимами совпадает с переходом от жидкоподобного поведения к частицеподобному. На таких масштабах плазму уже нельзя описывать как сплошной поток, и приходится следить за движением отдельных заряженных частиц.
Смена направления проявляется на определtнном расстоянии от Солнца. По мере удаления от светила она становится заметнее и сдвигается в сторону более крупных масштабов. Зонд Parker Solar Probe подходит к Солнцу ближе любого другого аппарата, поэтому позволил проследить это изменение на разных дистанциях.
«Мы видим четкую структуру в спектре, несмотря на то, что турбулентность представляет собой неструктурированные движения», — говорит первый автор статьи доктор Масатоми Иидзава из Брауншвейгского технического университета.
Почему это важно
Результат показывает, что внутри хаотичной плазмы возникает порядок, и ключ к нему лежит в переходе от гидродинамики к динамике частиц.
Доктор Йокои из Токийского университета подчеркивает: «Результаты имеют огромное значение как для физики плазмы, так и для астрофизики».
Турбулентность плазмы играет заметную роль во многих космических системах. Среди них магнитосфера Земли, солнечный ветер, солнечные извержения, межпланетное пространство и аккреционные диски, то есть раскаленные вращающиеся диски вещества вокруг массивных объектов. Она влияет на ударные волны и на магнитные облака, которые выбросы Солнца отправляют в межпланетное пространство. Чем лучше ученые понимают, как энергия переходит от крупных вихрей к мелким, тем точнее становятся модели космической погоды.
Поэтому новые знания пригодятся и при прогнозировании геомагнитных бурь, способных нарушать работу спутников и энергосетей.
