Солнечная атмосфера, или корона, в разы горячее поверхности Солнца — загадка, которая десятилетиями ставила ученых в тупик. Кроме того, солнечный ветер — поток плазмы и магнитных полей, непрерывно истекающий от Солнца, — разгоняется до колоссальных скоростей. Ученые давно подозревали, что ключевую роль в обоих явлениях играет турбулентное рассеяние — процесс, при котором механическая энергия превращается в тепло. Но в околосолнечном пространстве, где плазма почти не сталкивается, точные механизмы этого рассеяния оставались загадкой.

Новое исследование, опубликованное в издании Physical Review X, опирается на данные зонда NASA Parker Solar Probe — первого аппарата, который пролетел сквозь солнечную атмосферу. Благодаря этой беспрецедентной близости к Солнцу ученые впервые смогли изучить экстремальные условия напрямую и получить данные, которые помогли разгадать эти тайны.

Работа подтверждает: «гелицитный барьер» действительно существует и радикально меняет природу турбулентного рассеяния. Этот эффект, предсказанный теоретически, блокирует каскадное дробление энергии на малых масштабах, что в корне меняет процесс нагрева плазмы.

Гелицитный барьер — эффект в турбулентной плазме, при котором энергия не может дробиться на мелкие вихри из-за сильного магнитного поля и асимметрии волн. Вместо этого она «застревает» и превращается в тепло, резко нагревая частицы.

Джек Макинтайр, ведущий автор исследования, аспирант Лондонского университета Королевы Марии, поясняет:

Это открытие важно, потому что гелицитный барьер объясняет ранее непонятные свойства солнечного ветра — например, почему протоны в нем обычно горячее электронов. Понимание турбулентного рассеяния поможет разобраться и в других астрофизических системах.

Ученые также выяснили, при каких условиях этот барьер активируется. Он проявляется, когда магнитное поле становится значительно сильнее, чем давление плазмы, и усиливается, если в турбулентности преобладают волны одного направления. Именно такие условия Parker Solar Probe зафиксировал вблизи Солнца — значит, этот эффект там повсеместен.

Кристофер Чен, научный руководитель Макинтайра, добавляет:

Теперь у нас есть четкие доказательства работы гелицитного барьера. Это ответ на давние вопросы о нагреве короны и ускорении солнечного ветра — например, почему температура в атмосфере Солнца распределена так неравномерно. Теперь мы лучше понимаем физику турбулентности и сможем точнее предсказывать космическую погоду.

Открытие важно не только для изучения Солнца. Многие горячие разреженные плазменные среды во Вселенной тоже бесстолкновительны. Наблюдение за гелицитным барьером в солнечном ветре дает уникальную возможность изучить, как энергия превращается в тепло в таких условиях.

Практическая ценность работы — в прогнозировании космической погоды. Солнечные бури влияют на спутники, радиосвязь и энергосети Земли. Если мы поймем, как турбулентность в солнечном ветре влияет на выбросы плазмы, сможем точнее предсказывать опасные события. Кроме того, открытие поможет в разработке термоядерных реакторов, где тоже приходится иметь дело с турбулентной плазмой.

Исследование опирается на данные одного зонда — Parker Solar Probe. Хотя его приборы точны, для полной уверенности нужны независимые измерения, например, от будущей миссии ESA’s Solar Orbiter. Кроме того, авторы не до конца объясняют, как именно гелицитный барьер влияет на нагрев протонов — это требует дополнительных моделей.

Ранее ученые сообщили, что зонд Parker обнаружил неизвестный источник частиц-рекордсменов.