Исследователи из Лондонского университета королевы Марии (Queen Mary University of London) впервые непосредственно измерили, как энергия перемещается из хаотических электромагнитных полей в частицы, из которых состоит солнечный ветер, разогревающий межпланетное пространство.
Исследование, проведённое совместно с Аризонским Университетом (The University of Arizona) и Айовским Университетом (The University of Iowa) и опубликованное в Nature Communications, показывает, что процесс, известный как затухание Ландау, лежит в основе переноса энергии в космосе от электромагнитной турбулентности плазмы к электронам солнечного ветра.
Этот процесс назван в честь обладателя Нобелевской премии физика Льва Ландау (1908—1968). Когда волна проходит через плазму, её частицы, движущиеся с той же скоростью, поглощают энергию плазмы, что приводит к уменьшению энергии, затуханию волны.
Хотя этот процесс ранее был измерен при простых условиях, оставалось неизвестным, как он будет происходить в высокотурбулентных и сложных плазмах естественным образом, будет ли процесс абсолютно другим.
По всей вселенной материя пребывает в состоянии заряженной энергией плазмы при намного более высоких температурах, чем предполагали ранее. Например, солнечная корона в сотни раз горячее, чем поверхность Солнца. Загадку, почему так происходит, учёные всё ещё пытаются разгадать.
Также важно узнать, как нагреваются другие астрофизические плазмы, такие как межзвёздная среда и аккреционные диски, окружающие чёрные дыры, чтобы объяснить некоторые экстремальные случаи, возникающие в этих средах.
Возможность напрямую измерить механизм наполнения энергией плазмы при воздействии солнечного ветра (в исследовании это было сделано впервые) поможет учёным ответить на многие открытые вопросы о вселенной.
Учёные исследовали данный механизм, используя новые данные высокого разрешения со спутника Magnetospheric Multiscale (MMS), запущенного в 2015, а также недавно открытые техники анализа данных (корреляционный метод частиц поля).
Солнечный ветер — это поток заряженных частиц, то есть плазма, который исходит от Солнца и заполняет всю Солнечную систему. Спутник ММС расположился в солнечном ветре, измерил поля внутри него и зафиксировал пролетающие рядом частицы.
Руководитель исследования, доктор Кристофер Чэнь (Christopher Chen) из Лондонского Университета Королевы Марии, рассказывает: «Плазма — это наиболее распространённая форма видимой материи вселенной, и она зачастую находится в высокодинамичном и хаотическом состоянии, известном как турбулентность. Турбулентность передаёт энергию частицам в плазме, что приводит к тому, что они нагреваются и питаются энергией, делая турбулентность и связанное с ней нагревание широко распространённым природным феноменом.
В этом исследовании мы впервые напрямую измерили процессы, вовлечённые в турбулентное нагревание, происходящее в астрофизической плазме. Мы также проверили новую технику анализа в качестве инструмента для проверки течения энергии в плазме, это может быть использовано в последующих исследованиях различных аспектов поведения плазмы».
Профессор Айовского Университета Грег Хаус (Greg Howes), который также разрабатывал новую технику анализа, говорит: «В процессе затухания Ландау электрическое поле приписывалось движущимся сквозь плазму волнам, которые могут ускорять движение электронов до скорости волны. Это аналогично тому, как ловит волну сёрфер. Первое успешное применение в наблюдении корреляционного метода частиц поля показывает, что оно может ответить на давно поставленные, фундаментальные вопросы о поведении и эволюции космической плазмы, например, о нагревании солнечной короны».
Это исследование также открывает дорогу методу, который будут использовать будущие миссии в другие области Солнечной системы, такие как NASA Parker Solar Probe (запущенный в 2018 году), который впервые исследует солнечную корону и плазму вокруг Солнца.
