На Солнце впервые заметили плазменные вихри, предсказанные теоретиками

Солнце — это гигантский шар раскаленной плазмы, где непрерывно взаимодействуют потоки вещества и магнитные поля. Видимая поверхность звезды, фотосфера, покрыта гранулами, возникающими из-за конвекции: горячая плазма поднимается из недр, остывает и опускается обратно. Между этими потоками формируются компактные зоны с сильным магнитным полем, которые порождают солнечные пятна, вспышки и другие проявления активности. Однако многие процессы в этих областях происходят на масштабах всего нескольких десятков километров, поэтому до сих пор оставались незамеченными.

Ученые давно предполагали, что на границах магнитных структур должна возникать неустойчивость Кельвина — Гельмгольца, при которой два потока, движущиеся с разной скоростью, закручиваются в характерные вихри. Подобные структуры встречаются в земной атмосфере, океанах и магнитосферах планет, но на поверхности Солнца их никто не наблюдал напрямую.

Наблюдения телескопа DKIST

В новой работе, опубликованной в журнале Nature, астрономы использовали крупнейший в мире солнечный телескоп «Дэниел Иноуэ» (DKIST). Благодаря его высокому разрешению удалось детально рассмотреть фотосферу. Вместо относительно гладких границ между магнитными образованиями и окружающей плазмой исследователи обнаружили множество небольших вихрей и тонких «полос», постоянно возникающих вдоль этих границ.

Всего было проанализировано 47 подобных объектов. Расстояние между соседними вихрями обычно составляет 65 километров, а их размеры варьируются примерно от 25 до 170 километров. При этом вихри развиваются всего за несколько десятков секунд и перемещаются со скоростью до трех километров в секунду.

Сравнение с моделями

Снимки сравнили с высокоточными магнитогидродинамическими моделями солнечной атмосферы. Расчеты практически полностью воспроизвели увиденную картину: размеры вихрей, скорость их формирования и особенности движения плазмы совпали. Это подтвердило, что причина возникновения вихрей — сильные сдвиги скоростей вдоль границ магнитных полей. Потоки плазмы, движущиеся рядом с областями мощного магнитного поля, начинают скользить друг относительно друга, делая поверхность неустойчивой и быстро покрываясь закрученными структурами.

Интересно, что со временем вихри становятся крупнее: они объединяются и порождают более мелкие вихри, постепенно формируя турбулентность. Такое перемешивание облегчает перенос массы, энергии, импульса и магнитного потока между различными областями фотосферы. Вместе эти процессы, по-видимому, участвуют в нагреве внешних слоев солнечной атмосферы.

Открытие помогает лучше понять, как энергия и магнитные поля распределяются на Солнце, что важно для прогнозирования космической погоды и изучения звездной активности в целом.