Аномальные солнечные вспышки: «черные лебеди» или «короли драконов»?

Илья Усоскин, профессор Университета города Оулу (Финляндия), вице-президент Международного астрономического союза, побеседовал с Борисом Штерном об аномальных вспышках на Солнце и других звездах. Видеозапись интервью: youtu.be/-yiqJPVJoFY.

Солнечная вспышка, зафиксированная Обсерваторией солнечной динамики NASA 30 апреля 2022 года. NASA/SDO
Солнечная вспышка, зафиксированная Обсерваторией солнечной динамики NASA 30 апреля 2022 года. NASA/SDO
Илья Усоскин (oulu.fi)
Илья Усоскин (oulu.fi)
Борис Штерн
Борис Штерн

— Для начала расскажите нам в двух словах, пожалуйста, что такое солнечная вспышка и какова ее физика.

— Если совсем кратко, то вспышка на Солнце или на звездах — это энерговыделение взрывного типа, где магнитная энергия преобразуется в энергию других видов. Процесс проходит очень быстро. Его можно наблюдать как в видимом диапазоне, так и в других диапазонах электромагнитного спектра: это резкое увеличение светимости, которое потом медленно спадает. Физика процесса более-менее понятна: он связан с пересоединением магнитных линий и выделением магнитной энергии. Кроме вспышки, которую можно видеть в разных электромагнитных диапазонах, при таком взрывном выделении энергии происходит много других процессов, среди которых особенно интересно ускорение заряженных частиц. Оно происходит как через электрическое поле при присоединении магнитных линий, так и при распространении образовавшейся ударной волны через солнечную корону. Происходит ускорение частиц до достаточно высоких, практически релятивистских энергий — их можно наблюдать у Земли. Думаю, сейчас важно описать как саму вспышку, так и вызванное ей ускорение частиц с последующим распространением ударной волны — корональным выбросом массы.

— Откуда берется пересоединяющееся поле? Это всплывающие петли, появляющиеся из-за конвекции?

— Да, это тороидальное поле, образующееся в конвективной зоне в процессе звездного или солнечного динамо. Когда оно «всплывает» на поверхность, образуются сложные магнитные конфигурации, где поле может увеличиться на несколько порядков, достигая нескольких килогаусс. Из-за сложной конфигурации в какой-то момент может возникнуть структура, в которой силовые линии столь сильного поля начинают пересоединяться, делая процесс лавинообразным: поэтому энерговыделение такое мощное и быстрое.

— Как определить мощность этих вспышек? В чем они измеряются?

— Измеряются обычно в энергии в каком-либо из электромагнитных диапазонов. Для солнечных вспышек наиболее типичным является мягкий рентген в диапазоне от 1 до 8 ангстрем, который измеряется геостационарными спутниками GOES, постоянно мониторящими Солнце, классифицируя вспышки по квазилогарифмической шкале в зависимости от уровня светимости (на орбите Земли, в единицах Вт/м2) в том или ином диапазоне. Когда дело касается звездных вспышек, то обычно говорят о болометрической энергии (в эргах) в видимом диапазоне. Для солнечных вспышек конверсия между болометрической энергией и светимостью в мягком рентгене не совсем однозначна, но эти величины коррелируют в довольно высокой степени.

— Как оценивается общее энерговыделение при вспышках?

— Для солнечных вспышек есть оценки, поскольку мы можем наблюдать их в разных диапазонах. В среднем, магнитная энергия, являющаяся основой этих вспышек, делится приблизительно пропорционально между энергичными частицами, свечением в разных электромагнитных диапазонах и кинетической энергией распространяющейся ударной волны или коронального выброса массы. Для звездных вспышек мы можем оценить только болометрическую энергию или светимость в разных диапазонах. Но, в принципе, теория для солнечных вспышек проецируется и на звездные вспышки для звезд более-менее солнечного класса.

— Сколько выделяется энергии при сильной солнечной вспышке в единицах общего энерговыделения?

— Обычно энергия измеряется в эргах. Самая сильная солнечная вспышка — несколько единиц на 1032 эрг болометрической энергии. Эта самая сильная вспышка из зарегистрированных напрямую, она произошла 4 ноября 2003 года. Британский астроном Ричард Кэррингтон в 1859 году зарегистрировал самую первую солнечную вспышку, впоследствии названную в его честь. К сожалению, Кэррингтон наблюдал свое открытие невооруженным глазом через проекцию, и энерговыделение вспышки осталось неизвестным. По оценкам, выброс энергии мог быть такой же, как при вспышке 2003 года, или даже больше.

— А Квебекское событие? Когда вырубило электросеть в Канаде…

— Это было в марте 1989 года. Вспышка сама по себе была не самой сильной, но последовал сильный корональный выброс массы, направившийся к Земле и вызвавший сильную геомагнитную бурю: в магнитосфере и ионосфере потекли сильные токи, что навело токи в наземных линиях, в том числе в линиях электропередач. Из-за этого начали выходить из строя трансформаторы, и электрическая система вырубилась веерно.

Илл. Timeweb Cloud / habr.com
Илл. Timeweb Cloud / habr.com

— Остались ли следы от доисторических солнечных вспышек?

— С одной стороны, напрямую о древних солнечных вспышках мы знать не можем. Однако во время вспышек и последующих корональных выбросов массы происходит ускорение энергетических частиц до высоких, практически релятивистских энергий. При этом потоки таких частиц около орбиты Земли в течение короткого времени могут увеличиваться на три-четыре порядка. Это увеличение настолько сильно, что общий средний поток энергичных частиц, скажем, за год будет существенно выше, чем в обычное время из-за галактических космических лучей. И вот это уже можно отслеживать в прошлом благодаря естественным архивам — так называемым космогенным радиоизотопам.

Высокоэнергичные частицы, попадая в атмосферу Земли, неизбежно вступают в ядерные столкновения с довольно толстым слоем вещества в атмосфере. В этих столкновениях могут происходить разные процессы, рождая разные вторичные частицы, включая такие редкие изотопы, как, например, радиоуглерод: радиоактивный изотоп углерода с массовым числом 14, время жизни которого составляет несколько тысяч лет. Обычный стабильный изотоп углерода — 12C. С точки зрения химии, 14C является таким же углеродом, как и 12C, поэтому он вступает в углеродный цикл: его могут поглощать любые живые организмы, строящие свое тело из углерода, не обращая внимания на изотоп. Поэтому если мы в какой-то момент измерим отношение 14C к 12C, скажем, в дереве, то сможем оценить, какое количество энергичных частиц попало в атмосферу Земли в этот период. Деревья для таких замеров хорошо подходят: просто отсчитывая кольца, мы можем заглянуть в прошлое и выяснить, какой уровень углерода был 350 или 730 лет назад. Это хорошо тем, что «архивация данных» ведется естественным, совершенно одинаковым образом за всё время: она не зависит от инструментов или наблюдателя, а измерения ведутся в современных лабораториях с постоянной точностью.

Другим полезным изотопом, позволяющим оценивать поток энергичных частиц на орбите Земли, является 10Be, у которого время жизни составляет около миллиона лет. Его уровень измеряют в ледяных кернах Антарктики или Гренландии: поскольку керны накапливаются в течение длительного времени, по замерам можно много сказать об эпохе, когда формировался лед.

В 2012 году в журнале Nature вышла работа японских коллег, обнаруживших необычное увеличение уровня радиоуглерода, соответствующее 775 году н. э.1 Поначалу предположили, что причина тому — вспышка сверхновой, но это было быстро опровергнуто. Не выстояло и предположение о гамма-всплеске. Оказалось, что радиоуглерод резко возрос из-за потока заряженных частиц на орбите Земли, причем оно было настолько сильным, что не могло быть галактическими космическими лучами, даже если моментально выключить земное и солнечное магнитные поля. Так исследователи пришли к выводу, что уровни 14C возросли из-за солнечных энергичных частиц, и за этим последовало открытие экстремальных солнечных протонных событий (СПС). Сомнения насчет того, действительно ли это солнечное протонное событие, еще оставались. Теория подтвердилась только после того, как это же событие измерили в ледяных кернах и в других изотопах, 10Be и 36Cl, показав, что спектр заряженных частиц, поспособствовавший возрастанию, очень похож на спектр от солнечных вспышек. После публикации этой работы обнаружились события такой же мощности, происходившие на протяжении последних 10 тыс. лет2. Событие 775 года практически на два порядка сильнее, чем самое мощное из протонных событий, зарегистрированных за последние десятилетия.

— 1034 эрг/с?

— Пока об эргах в секунду мы говорить не можем, но можно говорить о мощности, или о потоке солнечных энергичных частиц. Если переводить это при помощи моделей в светимость, то да, получится где-то 1034 эрг/с.

События в прошлом, которые мы можем оценить благодаря космогенным изотопам, в 30–100 раз сильнее в единицах потока энергичных частиц, чем любые вспышки, которые мы наблюдали за последние десятилетия. Однако метод космогенных изотопов не так точен, как прямые спутниковые измерения, поэтому получается инструментальный провал. Он заключается в том, что события, которые были в 20 раз слабее, восстанавливать при помощи космогенных изотопов невозможно в принципе. Это открывает возможности для спекуляций: являются ли экстремальные события в прошлом такими же, как и обычные наблюдаемые солнечные вспышки? Грубо говоря, представляют ли они собой дальний энергичный хвост распределения — с низкой вероятностью возникновения таких же вспышек, просто более мощных, или же это что-то совсем другое?

В современной научной литературе популярны дискуссии о том, являются ли экстремальные события в прошлом «черными лебедями» (black swans) или же они — «короли драконов» (dragon kings). «Черный лебедь» — событие, которого мы не ждем, исходя из общих соображений, но если оно случается, то мы можем его понять в пределах современного научного знания — a posteriori, задним числом, такое событие мы объяснить можем. «Короля драконов» же мы не ожидаем и не можем объяснить, если событие такого типа случается. Можно ли сказать, что экстремальные события — «черные лебеди»? На этот вопрос пока что нельзя дать однозначного ответа, исследуя одни лишь космогенные изотопы.

— Но ведь есть еще и статистика звездных вспышек, которую вел «Кеплер». В ней есть вспышки, достигающие энергии в 1036 эрг. Это тоже «черные лебеди» или совсем другие события?

— Закономерный вопрос! Возьмем Солнце: с научной точки зрения, если мы хотим изучать его на очень большой шкале времени, мы можем вести изучения на шкале в 10 тыс. лет с использованием косвенных методов, или же можем посмотреть на большой ансамбль солнц, пусть даже и в течение короткого периода. Во втором случае нам на помощь приходят такие миссии, как «Кеплер», телескоп, наблюдавший большое количество звезд, из которых порядка 5 тыс. может быть отнесено к звездам солнечного типа, в течение четырех лет, что дает нам статистику, сопоставимую со статистикой для Солнца в течение 10 тыс. лет. В 2012 году группа японских ученых под руководством Хироюки Маэхары проанализировала данные «Кеплера» для солнцеподобных звезд и пришла к выводу, что на них могут возникать супервспышки мощностью до 1036 эрг болометрической энергии3. Сразу же встал вопрос: а может ли Солнце похвастаться такими же вспышками? Последующие работы показали, что с классификацией солнцеподобных звезд не всё так просто. В частности, появлялись статьи с заголовками «Является ли Солнце солнцеподобной звездой?»4. На классификацию могут влиять очень много параметров: температура, возраст, металличность, собственный период вращения звезды — всё это оказывает влияние на магнитную активность. Последующие анализы показали, что на звездах, которые по основным параметрам очень близки к Солнцу, могут происходить экстремальные супервспышки с энергией 1035 эрг. При любом раскладе получается, что частота таких событий в среднем в несколько раз больше, чем частота экстремальных солнечных протонных событий. Проблема вполне разрешимая — в частности, в связи с простым геометрическим фактом, что не любая вспышка на Солнце приводит к солнечному протонному событию на Земле. Очень важно расположение вспышки на солнечном диске относительно Земли. Если вспышка произойдет на восточном лимбе, то мы ее заметим, но вот на Земле энергичных частиц мы не будем наблюдать: они пройдут мимо планеты и как заряженные частицы распространятся вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля, закрученного в паркеровскую спираль. В случае вспышки по центру солнечного диска обычно на Земле случается протонное событие, но с очень мягким спектром — низкоэнергичные частицы, не способные производить космогенные изотопы и способствовать ядерным реакциям в атмосфере. Если же вспышка случится на западном лимбе, то она будет хорошо связана с Землей силовыми линиями межпланетного магнитного поля. Для таких вспышек и корональных выбросов массы может ожидаться хорошее солнечное протонное событие с достаточно жестким спектром. Да, в частоте супервспышек на солнечноподобных звездах и в экстремальных солнечных протонных событиях, случавшихся на Земле, есть нестыковки, но тем не менее этот аспект очень интересен; он требует объяснения, моделирования, развития физики. Он не является каким-то неразрешимым противоречием.

— Получается, солнечных вспышек меньше, чем экстремальных событий, зарегистрированных «Кеплером»?

— Супервспышки, согласно «Кеплеру», случаются в среднем в несколько раз чаще, чем экстремальные солнечные протонные события на Земле.

— Еще хочется уточнить: западный лимб Солнца — тот край, где поверхность приближается или удаляется от нас?

— Западный лимб — это тот, где поверхность отдаляется.

— На каких звездах супервспышки случаются чаще, чем на Солнце, если судить по статистике «Кеплера»?

— Есть звезды, которые за эти четыре года производили несколько супервспышек. Конечно, есть подозрение, что это не ординарные вспышки, однако невозможно отвергнуть предположение, что супервспышки идут кластерами. Сейчас ведутся более подробные исследования. Тем более что по общему уровню переменчивости магнитной активности на солнцеподобных звездах есть несколько ветвей распределения, и пока непонятно, попадают ли все солнцеподобные звезды с супервспышками в ту же ветвь, что и Солнце. Там еще есть материал для изучения.

— А есть какие-то теоретические идеи?

— Четких идей нет. В 2018 году появилось несколько работ, которые показали: предельная мощность для солнечной вспышки — где-то 1034 эрг. Больше Солнце просто не в силах произвести, если мы предполагаем обычный механизм — всплытие тороидального поля, создание очень сложной активной области на Солнце, которая в конце концов пересоединяется. На Солнце просто невозможно накопить большее количество магнитной энергии, что, в частности, связано с глубиной конвективной зоны и многими другими параметрами. Для тех звезд, которые наблюдал «Кеплер», мы не знаем таких деталей. Конечно, есть оценки для конвективной зоны, но, в принципе, нужно исследовать все эти звезды с помощью сейсмологических методов, определять глубину конвективной зоны, определять плотности… Пока этого не сделано.

— Теперь представим: на Солнце долбануло 1034 эрг. Что будет с цивилизацией?

— Сразу успокою: человечество не погибнет. Защита атмосферы и магнитосферы настолько хорошая, что мы выживем. Однако цивилизации придется тяжело. Даже событие мощностью 1033 эрг имеет шанс моментально вывести из строя все спутники, находящиеся за пределами магнитосферы (то есть даже те спутники на низких орбитах, которые в этот момент будут находиться в полярных областях). Это будет означать потерю навигации и множества других сервисов, от которых мы сейчас зависим. Восстановление спутников может занять около десяти лет и будет стоить триллионы долларов.

— А энергосети?

— Это зависит от геомагнитной бури. В худшем сценарии энергосети довольно существенно выйдут из строя. На данный момент электрокомпании исходят из того, что такие события слишком маловероятны, чтобы закладывать их в запас прочности. Дешевле просто произвести новые трансформаторы, чем оснащать все действующие трансформаторы дополнительной защитой.

— Я неспроста спрашиваю. Я написал роман «Феникс сапиенс», где пытаюсь разобраться, что произойдет после такой вспышки. Начнутся нарастающие проблемы, связанные с обрушением энергосетей. Связь не работает, GPS не работает… Цивилизация начинает коллапсировать и проваливаться в неолит…

— Предсказать такие события заранее невозможно. Можно сделать точный прогноз на несколько часов и приблизительный — на несколько суток, но не дальше. Более того, как показывает анализ экстремальных протонных событий по данным космогенных изотопов, они все возникали, когда уровень солнечной активности был не очень высоким. Поэтому предвидеть такое событие невозможно.

— Понятно. А что страшнее: гигантский астероид или мощная солнечная вспышка?

— Мощная солнечная вспышка нас, по крайней мере, не убьет…

— Зато столкновение с астероидом можно рассчитать заранее…

— Да.

— Разумна ли эта политика: «готовиться к вспышке мощностью 1034 эрг слишком дорого, поэтому не будем этого делать»?

— Сказать сложно, потому что всё это бизнес. Но прогресс есть. До последнего десятилетия считалось, что готовиться к событиям с вероятностью меньше, чем один раз в сто лет, вообще не стоит. Сейчас эта шкала для особо чувствительных и особо важных инфраструктур повышена до события, которое произойдет с вероятностью раз в тысячу лет.

— Хорошо. Я свое любопытство удовлетворил. Может быть, вам есть что добавить?

— Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что изучение космического климата отличается от изучения космической погоды. Сейчас начинает появляться понимание, что изучение событий косвенными методами может быть столь же важным, как и прямое измерение приборами. Копание в старых обрубках деревьев может дать очень важную информацию для нашей высокотехнологичной цивилизации.

— До каких сроков дотягивает этот радиоуглеродный метод для солнечных вспышек?

— Теоретически — пара десятков тысяч лет, потому что время жизни изотопа — семь тысяч лет. Проблема заключается в климате. За последние 10–12 тыс. лет (время голоцена) климат оставался довольно теплым и стабильным. Когда мы, двигаясь назад во времени, переходим в ледниковый период, моделирование становится очень неточным. Грубо говоря, если мы зафиксировали выброс бериллия в течение одного-двух лет в полярном льду, мы не знаем, действительно ли было произведено больше бериллия или что-то произошло с переносом бериллия в атмосфере и его осаждением в полярном льду. Это является основным ограничением на применение метода космогенных изотопов. Но работы ведутся, и есть надежда, что мы сможем продвинуться в прошлое гораздо дальше.

— Огромное спасибо! Очень интересно и животрепещуще.


1 Miyake F., Nagaya K., Masuda K. & Nakamura T. A signature of cosmic-ray increase in AD 774–775 from tree rings in Japan. // Nature 486, 240–242 (2012). doi.org/10.1038/nature11123

2 См. также trv-science.ru/2021/09/3-supervspyshki-za-10k-let;
trv-science.ru/2020/11/silnye-solnechnye-i-katastroficheskie-zvezdnye-vspyshki;
trv-science.ru/2012/12/podvlastny-li-planetam-pyatna-na-solnce/

3 Maehara H., Shibayama T., Notsu S. et al. Superflares on solar-type stars // Nature 485, 478–481 (2012). doi.org/10.1038/nature11063

4 Reinhold T. et al. The Sun is less active than other solar-like stars // Science 368, 518-521 (2020). science.org/doi/10.1126/science.aay3821

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest

5 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
res
res
1 месяц назад

Магнитные линии? Может лучше перестройка токовых конфигураций? ИМХО

Борис Штерн
ТрВ
1 месяц назад
В ответ на:  res

Хуже — менее наглядно, хотя тоже правильно.

res
res
1 месяц назад
В ответ на:  Борис Штерн

У вас там вероятно магнитные монополи завелись. ))

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский
1 месяц назад

Для понимания жизнедеятельности Солнца, похоже, полезно отслеживать ритмы солнечных вспышек и пятен – подобно тому, как мы отслеживаем свои ритмы — дыхательный и сердечный.
Интерес к ним есть, — вот, например, 3 статьи по ритмам солнечных вспышек.
Rieger E. et al. A 154-day periodicity in the occurrence of hard solar flares? (1984)
https://www.nature.com/articles/312623a0
Kotze P.B. Rieger Periodicity Behaviour in Solar Mg II 280 nm Spectral Emission (2021)
https://link.springer.com/article/10.1007/s11207-021-01786-5
Atila Ozguc et al. Temporal and Periodic Variations of the Solar Flare Index During the Last Four Solar Cycles and Their Association with Selected Geomagnetic-Activity Parameters (2022)
https://link.springer.com/article/10.1007/s11207-022-02049-7
Интересно было бы выявить ритмические визуальные образы распределения вспышек на теле Солнца в его 11-летних циклах. Для пятен такие образы подчиняются закону Шперера,  — их иногда называют бабочками, хотя мне они больше напоминают рентгеновский снимок легких человека.

Sunspot_butterfly_graph_70.gif
res
res
1 месяц назад

Согласно солнечным циклам нас ждет скорее глобальное похолодание, чем потепление ;)

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (7 оценок, среднее: 4,86 из 5)
Загрузка...