Исследователи обнаружили ранее скрытый процесс нагрева, который помогает объяснить, как атмосфера, окружающая Солнце, называемая "солнечной короной", может быть намного горячее, чем солнечная поверхность, которая ее излучает.

Открытие, сделанное в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США, может способствовать решению ряда астрофизических задач, таких как формирование звезд, происхождение крупномасштабных магнитных полей во Вселенной и возможность предсказывать эруптивные космические погодные явления, которые могут нарушить работу сотовой связи и отключить электросети на Земле. Понимание процесса нагрева также имеет значение для исследований термоядерного синтеза.

Первое четкое 3D-объяснение

"Наше прямое численное моделирование - первое, обеспечивающее четкое определение этого механизма нагрева в трехмерном пространстве", - сказал Чуаньфэй Донг, физик из PPPL и Принстонского университета, который разоблачил этот процесс, затратив 200 миллионов часов компьютерного времени на крупнейшее в мире моделирование такого рода. "Нынешние инструменты телескопов и космических аппаратов могут не иметь достаточно высокого разрешения, чтобы определить процесс, происходящий в малых масштабах", - говорит Донг, который подробно описывает прорыв в журнале Science Advances.

Скрытый ингредиент - это процесс, называемый магнитным пересоединением, который разделяет и насильственно соединяет магнитные поля в плазме - супе из электронов и атомных ядер, образующем солнечную атмосферу. Моделирование Донга показало, как быстрое пересоединение линий магнитного поля превращает крупномасштабную турбулентную энергию в мелкую внутреннюю энергию. Как следствие, турбулентная энергия эффективно преобразуется в тепловую энергию на малых масштабах, тем самым перегревая корону.

"Подумайте о том, чтобы добавить сливки в кофе", - сказал Донг. Капли сливок вскоре превращаются в завитки и тонкие локоны". Точно так же магнитные поля формируют тонкие листы электрического тока, которые распадаются из-за магнитного пересоединения. Этот процесс облегчает каскад энергии от крупномасштабного к мелкомасштабному, делая процесс более эффективным в турбулентной солнечной короне, чем считалось ранее".

Когда процесс пересоединения медленный, а турбулентный каскад быстрый, пересоединение не может повлиять на передачу энергии между масштабами, сказал он. Но когда скорость пересоединения становится достаточно быстрой, чтобы превысить традиционную скорость каскада, пересоединение может более эффективно перемещать каскад к малым масштабам.

Это происходит за счет разрыва и воссоединения линий магнитного поля, в результате чего образуются цепочки небольших закрученных линий, называемых плазмоидами. Это меняет понимание турбулентного энергетического каскада, которое было общепринятым более полувека, говорится в статье. Новое открытие связывает скорость передачи энергии с тем, как быстро растут плазмоиды, усиливая передачу энергии от больших масштабов к малым и сильно нагревая корону на этих масштабах.

Новое открытие демонстрирует режим с беспрецедентно большим магнитным числом Рейнольдса, как в солнечной короне. Большое число характеризует новую высокую скорость передачи энергии в турбулентном каскаде. "Чем выше магнитное число Рейнольдса, тем эффективнее перенос энергии, вызванный пересоединением", - сказал Донг, который переходит в Бостонский университет на должность преподавателя.

"Чуаньфэй провел крупнейшее в мире моделирование турбулентности такого рода, которое заняло более 200 миллионов компьютерных CPU [центральных процессоров] в центре NASA Advanced Supercomputing (NAS)", - сказал физик из PPPL Амитава Бхаттачарджи, профессор астрофизических наук из Принстона, руководивший исследованием. "Этот численный эксперимент впервые дал неоспоримые доказательства теоретически предсказанного механизма для ранее не обнаруженного диапазона турбулентного энергетического каскада, контролируемого ростом плазмоидов".

"Его статья в высокоэффективном журнале Science Advances завершает программу вычислений, которую он начал с более ранних 2D результатов, опубликованных в Physical Review Letters. Эти статьи являются завершением впечатляющей работы, которую Чуаньфэй проделал в Принстонском центре гелиофизики, совместном центре Принстона и PPPL. Мы благодарны за грант PPPL LDRD [Laboratory Directed Research & Development], который облегчил эту работу, а также программе НАСА High-End Computing (HEC) за щедрое выделение компьютерного времени".

Влияние этого открытия на астрофизические системы различных масштабов может быть изучено с помощью существующих и будущих космических аппаратов и телескопов. Распаковка процесса передачи энергии в разных масштабах будет иметь решающее значение для решения ключевых космических загадок, говорится в статье.