Физики создали лабораторное Солнце

Солнце вращается вокруг своей оси, поэтому его магнитное поле закручивается в спираль особой формы, которую астрономы назвали спиралью Паркера — в честь ее первооткрывателя Юджина Паркера. Соответственно, скорость солнечной плазмы на определенном расстоянии от Солнца — его называют альвеновским радиусом — достигает такого значения, что магнитное поле светила уже не может ее удерживать и та улетает в космос по направлению от Солнца по спиральной траектории. 

Поток частиц плазмы, истекающий из солнечной короны (солнечный ветер), вызывает множество явлений на Земле: полярные сияния и магнитные бури. Из-за последних на Земле может нарушаться связь, могут выходить из строя системы навигации и т.д. Поэтому изучение солнечной спирали Паркера в целом важно не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения. 

Авторы новой работы, опубликованной в Nature Physics, решили изучить формирование и эволюцию спирали Паркера без запуска космического аппарата — в лаборатории. С помощью Большого красного шара (Big Red Ball, BRB) — трехметрового вакуумного сосуда для исследований плазмы — ученые создали упрощенную модель того, как магнитное поле Солнца закручивается в эту спираль.

Для этого внутрь BRB, где создано давление примерно в миллиард раз ниже атмосферного (7$?$10^-7 мм. рт. ст.), подали небольшое количество гелия. Напряжение в 200—400 вольт превратило его в плазму, которая окружила дипольный магнит в центре, — таким образом ученые создали «лабораторное Солнце». С помощью поперечных токов, идущих от заземленных анодов к катодам в верхней части установки, ученые закрутили плазму в этой магнитосфере.

Затем физики ускорили вращение плазмы до альвеновской скорости, то есть такой, при которой плазма, двигающаяся вдоль силовых линий магнитного поля в центре, начинает вырываться из-под его влияния. Когда центробежная сила начала превышать мощность магнитного поля, удерживающего плазму в центре BRB, та образовала спираль Паркера.

Измерение параметров плазмы во время эксперимента привело ученых к трем главным выводам. Во-первых, закрученное таким образом магнитное поле действительно имеет форму архимедовой спирали (спираль Паркера — одна из ее разновидностей). Во-вторых, сгустки плазмы стали образовываться на том расстоянии от магнита, которое предсказывала теория, и действительно направлялись прочь от магнита, со сверхальвеновскими скоростями, что тоже согласуется с теорией магнитогидродинамики Холла (эта расширенная версия магнитогидродинамики, в отличие от исходной, может объяснить некоторые плазменные явления).

Таким образом, несмотря на то что лабораторная установка гораздо проще и не воссоздает некоторых реальных условий гелиосферы, например гравитационных эффектов или сверхзвуковых потоков плазмы, авторы работы заключают, что их «лабораторное Солнце» можно использовать для исследований эволюции солнечного ветра и устройства магнитных полей таких звезд, как Солнце.