Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal, дало сжатую 14-летнюю видеозапись солнца, наблюдаемого в гамма-лучах, инструмент визуализации, который показал, что — вопреки ожидаемому равномерному распределению этих фотонов высокой энергии — солнечный диск может становиться ярче в полярных областях. Эта тенденция доминирования солнечного свечения в гамма-лучах в самых высоких широтах очевидна во время пика солнечной активности, что можно было наблюдать в июне 2014 года.
Исследование, проведенное под руководством Бруно Арсиоли из Института астрофизики и космических наук (IA) в Португалии и Факультета естественных наук Лиссабонского университета, может способствовать пониманию пока неизвестного процесса, который заставляет солнце светить в гамма-лучах в 10 раз ярче, чем ожидают физики. Он также может служить основой для прогнозов космической погоды.
Солнечные гамма-лучи образуются в гало нашей звезды и во время солнечных вспышек, но также испускаются с ее поверхности. "Солнце подвергается бомбардировке частицами, летящими со скоростью, близкой к скорости света, из-за пределов нашей галактики во всех направлениях", - говорит Бруно Арсиоли. "Эти так называемые космические лучи электрически заряжены и отклоняются магнитными полями солнца. Те, которые взаимодействуют с атмосферой солнца, производят поток гамма-лучей ".
Ученые полагали, что эти ливни с равными шансами могут быть замечены в любом месте солнечного диска. Эта работа предполагает, что космические лучи могут взаимодействовать с магнитным полем солнца и, таким образом, создавать неравномерное распределение гамма-излучения на всех широтах нашей звезды.
"Мы также обнаружили разницу в энергии между полюсами", - добавляет Бруно Арсиоли. "На южном полюсе наблюдается избыток выбросов более высокой энергии, фотонов с энергией от 20 до 150 ГэВ, в то время как большая часть фотонов с меньшей энергией поступает с северного полюса". У ученых пока нет объяснения этой асимметрии.
Во время максимума цикла солнечной активности очевидно, что гамма-лучи чаще излучаются в более высоких широтах. Они были особенно сосредоточены на солнечных полюсах в июне 2014 года, когда изменилось магнитное поле Солнца. Это когда диполь магнитного поля солнца меняет два своих знака - своеобразное явление, которое, как известно, происходит на пике солнечной активности раз в 11 лет.
"Мы получили результаты, которые бросают вызов нашему нынешнему пониманию солнца и окружающей среды", - говорит Елена Орландо из Университета Триеста, INFN и Стэнфордского университета и соавтор этого исследования.
"Мы продемонстрировали сильную корреляцию асимметрии солнечного гамма-излучения в совпадении с изменением магнитного поля солнца, что выявило возможную связь между солнечной астрономией, физикой элементарных частиц и физикой плазмы".
Используемые данные получены в результате 14-летних наблюдений с помощью спутника гамма-излучения Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) в период с августа 2008 по январь 2022 года. Этот период охватывал полный солнечный цикл, от минимума до следующего, с пиком в 2014 году.
Одна из задач заключалась в том, чтобы отделить солнечное излучение от многочисленных других источников гамма-излучения на заднем плане неба, пересекаемого видимой траекторией солнца. Бруно Арсиоли и его коллега Елена Орландо создали инструмент для интеграции всех солнечных гамма-событий в пределах окна порядка 400-700 дней, и это окно может скользить по 14-летнему периоду.
Благодаря этой визуализации стали понятны моменты полярных эксцессов, а также энергетическое несоответствие между севером и югом.
"Изучение гамма-излучения Солнца представляет собой новое окно для исследования и понимания физических процессов, происходящих в атмосфере нашей звезды", - говорит Арсиоли. "Каковы процессы, которые создают эти эксцессы на полюсах? Возможно, существуют дополнительные механизмы, генерирующие гамма-лучи, которые выходят за рамки взаимодействия космических лучей с поверхностью Солнца ".
Тем не менее, если мы будем придерживаться космических лучей, они могут работать как зонд внутренней солнечной атмосферы. Анализ этих наблюдений Ферми-ЛАТ также мотивирует новый теоретический подход, который должен учитывать более подробное описание магнитных полей Солнца.
Возможная связь между производством гамма-лучей солнцем и его впечатляющими периодами более частых солнечных вспышек и выбросов корональной массы, а также между ними и изменениями магнитной конфигурации нашей звезды, может помочь улучшить физические модели, которые предсказывают солнечную активность. Это основа прогнозов космической погоды, необходимая для защиты приборов на спутниках в космосе, а также телекоммуникаций и других электронных инфраструктур на Земле.
"В 2024 году и в следующем году мы испытаем новый солнечный максимум, и очередная инверсия магнитных полюсов солнца уже началась. Мы ожидаем, что к концу 2025 года проведем повторную оценку, не последует ли за инверсией магнитных полей избыток гамма-излучения с полюсов ", - говорит Бруно Арсиоли.
Елена Орландо добавляет: "Мы нашли ключ к разгадке этой тайны, который подсказывает будущие направления, по которым следует двигаться. Принципиально важно, чтобы телескоп Ферми работал и наблюдал за Солнцем в ближайшие годы".
Но солнечным гамма-лучам, вероятно, предстоит раскрыть больше, и они потребуют дальнейшего внимания. Это исследование укрепит научные аргументы в пользу непрерывного мониторинга Солнца космическими обсерваториями гамма-излучения следующего поколения.
"Если будет установлено, что выбросы высокой энергии действительно несут информацию о солнечной активности, то следует запланировать следующую миссию для получения данных о гамма-излучении Солнца в режиме реального времени", - говорит Арсиоли.
Источник: The Astrophysical Journal, Лиссабонский университет
Информация о космосе также есть в сообществе в ВК https://vk.com/fotoastronomiya
На изображении:
Цветной график плотности гамма-лучей с энергией от 5 до 150 гигаэлектронвольт на фотон, испущенных солнцем в период с октября 2013 по январь 2015 года и зарегистрированных телескопом NASA "Ферми-ЛАТ". Оно наложено на ложноцветное изображение солнца в ультрафиолетовом свете, полученное с помощью обсерватории солнечной динамики НАСА в декабре 2014 года.
Фото: Арсиоли и Орландо 2024 & НАСА / SDO / Дуберштейн
Дополнительные материалы
