Ученые озадачены сверхъярким солнечным светом

Поток энергичных частиц, называемый космические лучи, постоянно бомбардирует землю из космоса. Его удерживают от достижения земли земная атмосфера и магнитное поле. Ученым известно, что космические лучи исходят из центров больших галактик и из-за взрывов массивных звезд или сверхновых, основанных на детекторах, установленных на спутниках.

Ученые также обнаружили космические лучи, исходящие со стороны Солнца, потому что магнитное поле звезды отклонило их к Земле. Иногда частицы космических лучей взаимодействуют с атмосферой Солнца, создавая гамма-лучи, которые ученые изучают как солнечные гамма-лучи.

Теория и несоответствие наблюдений

Как продукты солнечного магнитного поля, состава солнечной атмосферы и состава космических лучей, ученые могут сделать много выводов об этих трех вещах, изучая сами солнечные гамма-лучи. Теперь новое измерение показало ученым, что они могут что-то упустить в этих отношениях.

Исследователи Высокогорной водной черенковской обсерватории (HAWC) в Пуэбле, Мексика, сообщил 3 августа в журнале Письма о физическом обзоре что HAWC обнаружил гамма-лучи с энергией ТэВ от Солнца. ТэВ означает тераэлектронвольт, или 1 триллион эВ, очень большое количество энергии для частиц. Авторы статьи пишут, что это первый случай, когда такое мощное гамма-излучение было обнаружено от Солнца.

HAWC также обнаружил больше таких высокоэнергетических гамма-лучей, чем ожидалось.

Существующие модели магнитного поля и атмосферы Солнца не могут объяснить эту «избыточную» энергию и яркость, и ученым предстоит выяснить, почему.

Проверка на черенковское излучение

«Большинство текущих исследований сосредоточено на попытках правильно смоделировать взаимодействие космических лучей в атмосфере Солнца», — сообщил этому писателю по электронной почте научный сотрудник Мичиганского государственного университета и автор нового исследования Мехр Ун Ниса. «Состав космических лучей относительно хорошо изучен. Однако солнечные магнитные поля на различных расстояниях от поверхности Солнца и их эволюция во времени представляют собой сложную проблему».

«При низких энергиях — от миллиардов до триллионов эВ — на космические лучи влияет модуляция магнитных полей во внутренней части Солнечной системы, а также полей в солнечной атмосфере, моделирование обоих из которых сложно», — доктор наук из Университета штата Пенсильвания. Мукул Бхаттачарья сказал этому писателю. «При высоких энергиях — от триллионов до квадриллионов эВ — влияние магнитных полей менее заметно, но подробно в литературе не рассматривалось».

Когда гамма-лучи из космоса сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы Земли, они создают поток частиц, которые устремляются вниз, приводя к каскаду новых частиц. HAWC расположен на высоте 4,1 км над уровнем моря, между двумя спящими вулканами, чтобы свести к минимуму расстояние между потоком и его детекторами. Он состоит из 300 резервуаров, каждый из которых вмещает 200 тонн (или 2 лакха литра) чистой воды.

Когда энергичная заряженная частица, такая как электрон, попадает в эту воду, она может двигаться быстрее скорости света в воде. Это создает излучение, известное как черенковское излучение. Это явление похоже на то, когда струя летит по воздуху со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе: она создает ударную волну, которую можно услышать как звуковой удар. Черенковское излучение — это «ударная волна», создаваемая заряженной частицей, движущейся через среду со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Фотоумножители — устройства, которые превосходно обнаруживают свет — на дне каждого резервуара регистрируют это излучение и передают его на компьютер для анализа.

Тень от солнца

Исследователи фиксировали такие данные в течение шести лет, с ноября 2014 года по январь 2021 года. В своем анализе, чтобы найти высокоэнергетические гамма-лучи, им пришлось вычесть гамма-лучи, которые достигли бы Земли, если бы их не блокировало солнце. Эти лучи называются «солнечной тенью».

Команда приступила к исследованию специально для высокоэнергетических гамма-лучей. Космический гамма-телескоп Ферми может обнаруживать гамма-лучи с энергией до 200 миллиардов эВ, или 200 ГэВ, и ученые, работающие с ним, обнаружили, что он регистрирует энергию вплоть до предела. «Они подтолкнули нас и сказали: «Мы не видим отсечки. Может быть, ты сможешь что-нибудь увидеть, — Низа. говорится в заявлении.

Когда они вычли солнечную тень из записанных данных, исследователи обнаружили «избыток гамма-излучения» в направлении солнца со статистической значимостью, превышающей ту, которая требуется для заявления об открытии. Одно конкретное показание поднялось до 2600 ГэВ.

Из-за длительности сбора данных исследователи обнаружили еще одну особенность. Количество активности на Солнце изменяется в 22-летнем цикле: 11 лет количество активности увеличивается, а следующие 11 лет уменьшается. Исследователи обнаружили, что HAWC регистрировал более высокоэнергетические гамма-лучи, когда солнечная активность была минимальной, и наоборот – т.е. обратная зависимость.

«Во время солнечного минимума космическим лучам легче достичь поверхности Солнца, что впоследствии приводит к большему потоку гамма-излучения», — сказал Бхаттачарья. «С точки зрения теоретического моделирования, эта антикорреляция может предоставить нам информацию о солнечных магнитных полях во время этой фазы, а также об энергии оптических фотонов».

Данные, данные, данные

Исследователи также обнаружили, что за пределами 400 ГэВ количество гамма-лучей с еще более высокими энергиями быстро падает. «У нас есть измерения Ферми до 200 ГэВ, а измерения HAWC начинаются выше 500 ГэВ», — пояснил Ниса. «Где-то посередине спектр излучения изменил свой наклон».

Задача, стоящая перед исследователями сейчас, состоит в том, чтобы обновить существующие модели или построить новые, чтобы они могли объяснить то, что мы уже знаем о Солнце, а также учесть новые открытия.

«Наблюдения на данный момент намекают на несколько энергозависимых компонентов вместо одного механизма», вызывающего несоответствие, по словам Нисы. «Тогда есть также небольшая вероятность там новая физика” – например, в виде до сих пор не обнаруженной частицы – “которая может проявить себя через солнечные гамма-лучи”.

Но Дибьенду Нанди, глава Центра передового опыта в области космических наук Индии в Калькутте, был более сдержан: «Я не верю, что результаты указывают на необходимость каких-либо фундаментальных изменений в наших моделях солнечного магнитного цикла или звездной структуры», — сказал он. этот писатель. «Это больше связано с неадекватным пониманием сложной цепочки процессов, посредством которых ТэВ [gamma rays] генерируются в результате взаимодействия космических лучей и намагниченной плазмы в космосе».

В заключение авторы статьи запросили дополнительные данные. Ниса сказал, что объект LHAASO в Китае — «более крупный и более чувствительный аналог HAWC» — может регистрировать большее количество гамма-лучей с энергией ТэВ. Южная Гамма-обсерватория с широким полем зрения, которая будет построена в Южной Америке, могла бы преодолеть энергетический разрыв между HAWC и Fermi. Для полноты картины, по ее словам, «будущие зонды НАСА должны добавить к нашим знаниям о Солнце в диапазоне МэВ-ГэВ».

• Исследователи Высокогорной водной Черенковской обсерватории (HAWC) в Пуэбле, Мексика, сообщили 3 августа в журнале Письма о физическом обзоре что HAWC обнаружил гамма-лучи с энергией ТэВ от Солнца.

• ТэВ означает тераэлектронвольт, или 1 триллион эВ, очень большое количество энергии для частиц. Авторы статьи пишут, что это первый случай, когда такое мощное гамма-излучение было обнаружено от Солнца.

• Существующие модели магнитного поля и атмосферы Солнца не могут объяснить эту «избыточную» энергию и яркость, и ученым предстоит выяснить, почему.