Внутри Солнца есть магнитный тормоз

Ученые выяснили, почему звезды, подобные Солнцу, в конце своей жизни замедляют собственное вращение. Их тормозит эффект нестабильности Рэлея-Тейлора, благодаря которому возникают возмущения в плазме, потихоньку останавливающие вращения звезды. Для проверки этой гипотезы был поставлен эксперимент, который подтвердил догадку астрофизиков.

Фото:

Гелиофизики знают, что у звезд, подобных нашему Солнцу, осевое вращение существенно замедляется в конце жизненного цикла. Они увеличиваются в размерах, наливаются багровым сиянием, и со стороны кажется, будто бы в недрах светила включается тормозной механизм, сильно уменьшающий угловую скорость стареющей звезды.

Причиной этого могут быть различные нестабильности, например, импульсные воздействия электромагнитной природы, возникающие в плазменном организме звезды. Исследуя этот процесс, ученые из Потсдамского астрофизического института (Германия) поставили физический эксперимент и провели компьютерное моделирование полученных экспериментальных данных. И их работа выявила появление характерных нестабильностей — возмущений в плазме, которые могут служить "тормозами", останавливающими вращение солнцеподобных звезд.

Читайте также: На Солнце обнаружены странные пятна

Теоретики давно предполагали, что электромагнитные процессы могут протекать таким образом, что вязкость звездной плазмы изменяется под воздействием токов и создаваемых ими магнитных полей. О возможном влиянии нестабильности Рэлея-Тейлора на замедление вращения звезд, сходных по величине с нашим Солнцем, известно довольно давно. Астрономические наблюдения белых карликов (Солнце превратится именно в такую звезду через пять-шесть миллиардов лет) предсказывают уменьшение скорости вращения таких светил на 90 процентов к концу их жизненного цикла.

Неустойчивость Рэлея-Тейлора — это физическое взаимодействие двух сплошных сред неодинаковой плотности, например, когда более тяжелая жидкость выталкивает легкую при контакте. Таким же образом, как ведут себя при "встрече" масло и вода, могут встречаться замагниченные потоки плазменных областей в определенных глубинах звезды, скорее всего между твердым ядром и лежащими выше его слоями менее плотной плазмы. А поскольку замагниченная плазма — неоднородная среда, и очень вероятно появление нестабильностей и возмущений, тормозящих ядро светила.

Тем не менее, жаль, что для проверки этой теории невозможно проникнуть внутрь далекой звезды или даже близкого к нам Солнца! Видны только процессы, проходящие в атмосфере нашего светила — фотосфере, хромосфере и короне. В то же, что происходит ниже фотосферы, пока что можно погружаться только мысленно.

Тем не менее, успешный эксперимент — аналог природного процесса в миниатюре — был задуман и осуществлен в лаборатории Астрофизического института в Германии. Авторы были убеждены, что много астрофизических явлений (таких как медленное вращение нейтронных звезд или вращение солнечного ядра) могут быть объяснены действием неустойчивости тороидальных магнитных полей в лучистых зонах звезд. Прочным фундаментом для выяснения теории этой неустойчивости может быть опыт, в котором измерены критическая напряженность поля, а также нарастание и форма сверхкритических мод.

В итоге ученые пустили сильный электрический ток (восемь килоАмпер) через жидкий металл, заключенный в покоящемся контейнере-колонке с изолирующим внешним цилиндром. Металл представлял собой сплав (это индий-олово-галлий). Известные же физические параметры этого сплава, в том числе магнитные, позволили для проведенного эксперимента вычислить электрические токи неустойчивостей — то есть возникающих в эксперименте возмущений. Они были определены прямым численным моделированием.

Основными экспериментальными данными явились измерения внешних магнитных полей, указывающие на формирование нестабильностей. Измеренное магнитное поле оказалось четко соответствующим результатам компьютерного моделирования солнечного динамо с учетом нестабильности Рэлея-Тейлора.

Следует отметить, что экспериментальными измерениями подтверждено теоретически предсказанное временное нарастание (порядка минут) для возникших возмущений (они являются неосесимметричными). Конечно, в таком эксперименте невозможно учесть вращение, изучить зависимость возмущений от размеров объекта, а также следует помнить про то, что токи и поля в эксперименте несравнимы с величинами, которые могут быть достигнуты в глубинах Солнца. Однако сделан важный шаг, за которым последуют дальнейшие исследования.

Теоретические выкладки совпали с итогами лабораторного эксперимента по обнаружению магнитной нестабильности. Соответствующая публикация исследовательской группы появилась в журнале Рhysical Review Letters, № 108, 2012.

Десятилетиями наблюдения свидетельствовали, что солнцеподобные звезды преклонного звездного возраста вращаются очень медленно. Теперь этот наблюдательный факт обрел экспериментальное подтверждение. И стало понятно, как это происходит. Возникающие в течение длительного времени плазменные неоднородности вязкости замедляют постепенно вращение звезды. Такой "тормозной механизм" был подтвержден как результатами лабораторного эксперимента, так и компьютерным моделированием процессов торможения.

Ученые показали, что существование нестабильности Рэлея-Тейлора приводит мощное азимутальное магнитное поле к существенным трансформациям в случае неосесимметричных колебаний. Эта нестабильность, по-видимому, должна быть одним из важных компонентов, принимаемых к рассмотрению гелиофизиками, строящими теорию солнечного динамо.

Возможно, следующим шагом явится исследование связей областей нестабильности с крупномасштабной конвекцией, причиной возникновения которой является нагрев конвективных потоков. Сложная иерархия солнечных магнитных полей стала немного сложнее, но это естественный ход событий, вдохновляющий на дальнейшие поиски.