Астрономы из Мичиганского государственного университета совместно с коллегами из Центра астрофизики Гарвард-Смитсониан разработали и успешно протестировали новую модель поведения заряженных частиц, исходящих от Солнца.

Солнце непрерывно испускает потоки плазмы, состоящие из заряженных субатомных частиц — преимущественно протонов и электронов. Эти частицы, обладая значительной энергией, преодолевают солнечную гравитацию и уходят в космос в виде солнечного ветра.

Томас До, аспирант-астроном, начавший исследование заряженных частиц три года назад во время работы в Центре астрофизики Гарвард-Смитсониан, опубликовал работу, описывающую ускорение частиц в более широком диапазоне условий, чем предыдущие модели. Его исследование было направлено на изучение процесса ускорения заряженных частиц при их взаимодействии с корональными выбросами массы — мощными солнечными извержениями, создающими ударные волны.

«Когда частицы покидают Солнце, они взаимодействуют с ударной волной и получают от неё дополнительную энергию», — поясняет До. Некоторые частицы набирают такую скорость, что преодолевают гребень ударной волны и вырываются в космос.

Совместно с астрофизиком Федерико Фраскетти учёные расширили модель 2021 года, включив в неё как высокоэнергетические, так и низкоэнергетические частицы, что не учитывалось в предыдущих моделях, разработанных около 50 лет назад.

5 сентября 2022 года космический зонд Parker Solar Probe NASA зафиксировал мощный солнечный выброс во время одного из своих ближайших подходов к звезде, — зонд находился на очень близком расстоянии от Солнца (0.07 а.е.) во время пересечения ударной волны. Это позволило получить измерения в условиях, которые ранее не были доступны. Ударная волна была очень быстрой, что привело к ускорению частиц до высоких энергий за короткое время, а событие произошло всего через 77 минут после вспышки на Солнце. Это позволило изучать ускорение частиц на «молодой» ударной волне, которая еще не успела существенно повлиять на окружающую среду.

Нам невероятно повезло увидеть самое начало этого процесса

отметил Фраскетти.

Событие предоставило редкую возможность изучить ускорение частиц в условиях, которые сложно воспроизвести в лаборатории или смоделировать численно. Поэтому данные этого события оказались особенно ценны для проверки обновлённой модели, так как позволили протестировать модели ускорения частиц, учитывающие временную зависимость, изучить формирование спектра энергий частиц на ранних стадиях ускорения и, в итоге, помогли понять влияние утечки частиц из области ускорения на форму спектра.

В частности, данные PSP показали наличие «носовой» структуры в спектре энергий протонов. Эта структура объясняется диффузионным потоком частиц перед ударной волной, которые ускоряются по мере приближения волны к космическому аппарату. 

В результате данные зонда, находившегося на рекордно близком расстоянии от Солнца (для сравнения: если представить расстояние между Землёй и Солнцем равным одному метру, то зонд находился всего в 7 сантиметрах от светила), полностью подтвердили прогнозы новой модели.

Разработанная модель может найти применение и в других областях космических исследований, связанных с изучением заряженных частиц, которые могут представлять опасность для космических аппаратов и астронавтов. Модель, учитывающая временную эволюцию спектра частиц, может помочь в изучении ударных волн в других астрофизических объектах: процессы ускорения частиц на ударных волнах играют важную роль в различных астрофизических объектах, таких как остатки сверхновых, активные ядра галактик и гамма-всплески. Данная модель предоставляет базу для более детального моделирования и понимания этих процессов.