Солнечный ветер — поток плазмы, состоящий из протонов и электронов, постоянно истекающий от Солнца. Под температурой принято понимать величину, пропорциональную энергии хаотического движения этих частиц.
Для сверхзвукового расширяющегося потока газа, каким и является солнечный ветер, следует ожидать, что с увеличением расстояния температура будет достаточно быстро снижаться. Но наблюдения на космическом аппарате «Вояджер-2» в 1980–90 годах показали, что это совсем не так. Оказалось, что температура плавно уменьшается до расстояния примерно 20–25 астрономических единиц, или а.е. (уже за орбитой Урана), а потом начинает медленно расти.
Что может «нагревать» протоны? Одним из основных механизмов считался нагрев за счет взаимодействия частиц с колебаниями электромагнитного поля и передачи энергии флуктуаций поля частицам. Однако поскольку изначальной турбулентной энергии плазмы не достаточно для существенного нагрева, то считалось, что источником флуктуаций являются захваченные протоны, которые возникают при резонансной перезарядке межзвездных атомов водорода на протонах солнечного ветра. Этот механизм нагрева ранее считался доминирующим в дальнем ветре (на расстояниях больше 20 а.е.).
Исследователи из ИКИ предложили другое, более простое, объяснение. Согласно ему, плазма может нагреваться в результате взаимодействия с ударными волнами. Ударной волной в данном случае называют резкий скачок параметров ветра (скорости, плотности и температуры), и он может образовываться как вблизи Солнца, так и в более отдалённых областях.
Схематическое изображение крупномасштабных типов солнечного ветра. Слева внизу голубым цветом показана область взаимодействия быстрых и медленных потоков солнечного ветра, при котором образуются ударные волны (показаны красной линией) Источник: ИКИ РАН
В первом случае возникновение ударных волн преимущественно связано с корональными выбросами массы из Солнца. Во втором случае вследствие неоднородности истечения плазмы из Солнца более быстрый поток ветра догоняет медленный, они сталкиваются, и образуется ударная волна. Есть и другие (менее значимые для нагрева) причины возникновения ударных волн.
Важно то, что в солнечном ветре помимо одиночных ударных волн, большое количество ударных волн распространяется в виде ударных слоев. Это области, ограниченные двумя ударными волнами с двух сторон. Такие слои постоянно (дважды за оборот Солнца) появляются в ближнем ветре и уносятся на большие расстояния. При этом передняя ударная волна в слое распространяется быстрее замыкающей волны, поэтому слой расширяется в процессе своего движения.
Основной эффект нагрева при этом заключается в том, что при прохождении ударного слоя через плазму солнечного ветра внутри слоя температура становится аномально высокой.
Численная модель, которую разработали Сергей Корольков, младший научный сотрудник, и Владислав Измоденов, руководитель лаборатории межпланетной среды отдела физики планет ИКИ РАН (также сотрудники МГУ им. М. В. Ломоносова и ГУ ВШЭ), включает только механизм нагрева за счет взаимодействия с ударными волнами. В качестве исходных были взяты данные о параметрах солнечного ветра на расстоянии 1 астрономической единицы (расстояние радиуса орбиты Земли) из базы данных OMNIWeb (NASA).
Средние значения температуры солнечного ветра на различных расстояниях от Солнца. Синим цветом показаны результаты моделирования, красным цветом — экспериментальные данные «Вояджера-2», зеленым цветом — значение, которое можно было бы ожидать в отсутствие механизмов нагрева. Желтым обозначена область прохождения «Вояджером-2» областей быстрого солнечного ветра из высоких широт, эти наблюдения с моделью сравнивать некорректно. Источник: график из статьи S. D. Korolkov and V. V. Izmodenov, A&A, 667 (2022) L5 https://doi.org/10.1051/0004-6361/202244523
В результате моделирования оказалось, что модель воспроизводит реальное «поведение» температуры солнечного ветра, как его наблюдал «Вояджер-2»: постепенное уменьшение его температуры, а потом стабилизация и рост.
Таким образом, оказалось, что одного взаимодействия с ударными волнами практически достаточно, чтобы объяснить профиль температуры солнечного ветра по крайней мере, до расстояния 50 а.е. Источник турбулентности при резонансной перезарядке становится существенным на расстояниях от 50 до 80 а.е., однако его вклад существенно — примерно в пять раз — меньше, чем считалось до настоящего исследования.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда №19-12-00383.
